Разработка логической схемы управления двустворчатых ворот судоходного шлюза

Разработка логической схемы управления двустворчатых ворот судоходного шлюза № Содержание Объ ем Кол-во Чер-ей Сроки выполнения 1 Введение 10 07. 04. 99 2 Описание управляемого объекта 15 1 17. 04. 99 3 Описание существующих схем управления 15 1 24. 04. 99 4 Синтез логического автомата 15 2 30. 04. 99 5 Преобразование контактной схемы управления в бесконтактную 20 1 12. 05. 99 6
Датчики информации и схемы сопряжения управляемого объекта с логической системой управления 15 2 22. 05. 99 7 Экономическое обоснование 5 29. 05. 99 8 Охрана труда 5 05. 06. 99 СОДЕРЖАНИЕ. 1. ВВЕДЕНИЕ 1. 1. Общие сведения об электрооборудовании водных путей.
1. 2. Состав и назначение механического оборудования гидротехнических сооружений.
1. 3. Основные свойства электрофицируемых механизмов гидротехнических сооружений. 1. 4 Элементы электрического оборудования шлюзов. 1. 4. а. Силовое оборудование приводов. 1. 4. б. Электрические аппараты системы управления. 1. 4. в Оперативная сигнализация. 1. 4. г. Поисковая сигнализация. 1. 4. д. Светофорная сигнализация. 1. 4. е. Элементы и устройства электроснабжения. 2. ОПИСАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ОБЪЕКТА 2. 1. Элементы ворот и действующие нагрузки.
2. 2. Приводной механизм для перемещения двустворчатых ворот. 2. 3. Определение мощности и выбор электродвигателя для электромеханического привода двустворчатых ворот судоходного шлюза. 2. 3. 1. Исходные данные. 2. 3. 2. Определение статических моментов сопротивления. 2. 3. 3. Предварительный выбор электродвигателя.
2. 3. 4. Определение момента сопротивления приведенных к валу двигателя. 2. 3. 5. Проверка предварительно выбранного двигателя.
2. 3. 6. Выбор электрических аппаратов для управления механическими тормозами. 2. 3. 7. Расчет резисторов пускового реостата и выбор ящиков сопротивлений. 3. ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ
3. 1. Привод с асинхронными двигателями без регулирования скорости движения. 3. 2. Привод с асинхронными фазными двигателями с регулированием скорости движения изменением сопротивления цепи ротора. 3. 3. Электрический привод с гидропередачей.
3. 4. Электропривод двустворчатых ворот с тормозным генератором. 3. 5. Электропривод с тиристорным управлением. 4. БЕСКОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ И СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ. 5. СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКОГО АВТОМАТА 5. 1. Построение СГСА. 5. 2. Кодирование СГСА. ( ГСА ). 5. 3. Граф абстраактного автомата.
5. 4. Функции выхода. Таблицы переходов. Функции возбуждения. Кодирование состояний. 6. ОХРАНА ТРУДА 6. 1. Правила технической эксплуатации электродвигателей.
6. 2. Анализ вредных и опасных факторов на гидротехнических сооружениях. Нормы, мероприятия по поддержанию норм, меры безопасности. 6. 3. Электробезопасность.
6. 4. Расчет защитного заземления трансформаторной подстанции. 7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ. 8. ЛИТЕРАТУРА 1. ВВЕДЕНИЕ.
Для увеличения грузооборота речного флота требуется совершенствование водных путей и судов транспортного флота. Различные по своим техническим характеристикам современные водные пути и суда технического флота представляют собой объекты с высокой степенью электрификации. Электрическая энергия на них применяется для привода основных и вспомогательных механизмов, связи и сигнализации, освещения и отопления. Суммарная мощность электродвигателей гидротехнических сооружений и судов технического флота нередко превышает 300-500 кВт. Такая энерговооруженность объектов водного транспорта соответствует общему состоянию электрификации народного хозяйства, где электропривод потребляет более 60 процентов вырабатываемой электроэнергии. Отличной чертой современного производства является высокоразвитая система управления объектами, которая обеспечивает автоматическое управление технологическими процессами. Электропривод все более приобретает черты автоматизированного. Автоматизированные электроприводы условно делятся на три уровня. Основу систем первого уровня составляют автоматизированные электроприводы отдельных рабочих машин или процессов ( локальные системы ). Системы второго уровня объединяют электроприводы функционально связанных рабочих машин или процессов с включением устройств контроля, сбора и обработки информации. Системы третьего уровня включают ЭВМ и обеспечивают оптимальное управление группой сложных приводов или процессов по заданным критериям и алгоритмам. Энерговооруженность основных объектов водного транспорта позволяет коренным образом улучшить их характеристики. Основой электропривода производственных объектов является электрическая машина. Первый электрический двигатель постоянного тока с вращательным движением был создан в 1834 г. академиком Б. С. Якоби при участие академика Э. Х. Ленца. Этот двигатель в 1838 г. был применен Б. С. Якоби для приведения в движение катера на реке Неве. Таким образом, родиной электродвигателя, а вместе с тем и первого электропривода была Россия. Указанная работа Б. С. Якоби получила мировую известность и многие последующие технические решения в области электропривода отечественных и иностранных электротехников были вариацией или развитием идей Б. С. Якоби.
К наиболее существенным практическим достижениям в области раннего развития электропривода можно отнести работы В. Н. Чиколева создавшего привод электродов дуговой лампы ( 1873 г. ) и вентиляторов ( 1886 г. ), П. Н. Яблочкова, создавшего трансформатор ( 1876 г. ), М. О. Доливо-Добровольского, изобретателя асинхронного двигателя ( 1889 г. ), А. Н. Шубина, разработавшего привод с индивидуальным генератором ( 1899 г. ) ( система генератор-двигатель ) и другие. Огромную роль в развитие электоропривода сыграли научные идеи крупнейшего русского электротехника Д. А. Лачинова, который раскрыл преимущества электрического распределения механической энергии, дал классификацию электрических машин по способу возбуждения, рассмотрел условия питания двигателя от генератора и особенности механических характеристик двигателя постоянного тока. Эта выдающаяся работа Д. А. Лачинова явилась основой науки об электроприводе, которая позднее была развита трудами главным образом русских и советских ученых, среди которых должны быть названы П. Д. Войнаровский, В. К. Дмитриев, С. А. Ринкевич, В. К. Попов, Р. Л. Аронов, А. Г. Голованов, М. Г. Чиликин, В. И. Полонский и другие.
Развитие науки об электроприводе способствовало росту степени электрификации и автоматизации производственных объектов и созданию совершенных систем автоматизированного привода механизма ворот и затворов шлюзов, судоподъемных устройств и судов технического флота.
Электрооборудование на речном транспорте развивается по пути дальнейшего совершенствования существующих устройств и создание новых эффективных автоматизированных систем. 1. 1. Общие сведения об электрооборудовании водных путей. Протяженность внутренних водных путей, пригодных для судоходс тва, в нашей стране составляет около 500 тысяч километров, однако активно используются только 150 тысяч километров, из которых около 80 тысяч километров освоено за годы советской власти. В это же время построено около 16 тысяч километров искусственных водных путей, в том числе Беломорско-Балтийский канал ( ББК ), Волго-Балтийский водный путь ( ВБВП ) имени В. И. Ленина, Волго-Донской судоходный канал ( ВДСК ) имени В. И. Ленина, канал имени Москвы ( УКиМ ). Водный транспорт занимает все более заметное место в народном хозяйстве нашей страны и для дальнейшего роста грузооборота и пассажирских перевозок требует совершенствования водных путей. Для этого проводят руслоочищение, дноуглубдение, выправление, регулирование стока и шлюзование. Кроме того, для обеспечения безопасности плавания на водных путях создается судоходная обстановка в виде системы береговых и плавучих знаков, определяющих направление судового хода и его границы. Судоходная обстановка, выправление водных путей с помощью дамб, полузапруд и других сооружений, а также регулирование стока благодаря специальным водохранилищям при все своей масштабности не отличаются большими расходами электроэнергии или спецификой электрификации. Поэтому основное внимание уделяется шлюзованию и использованию специального флота для руслоочищения и дноуглубления. Шлюзование реки позволяет резко увеличить глубины в речном потоке в результате строительства вдоль пути водоудерживающих плотин со специальными судопропускными сооружениями в виде шлюзов или судоподъемников. Улучшение судоходности водных путей повышает безопасность плавания и является одним из условий успешного развития водного транспорта. Оно, в частности, осуществляется подъемом воды напорными гидротехническими сооружениями с судоходными шлюзами или судоподъемниками. Судоходным шлюзом называется сооружение, предназначенное для перевода судов из одного бьефа в другой, отличающихся уровнем воды. Разность уровней воды в верхнем и нижнем бьефах воспринимается шлюзом как напор. Схематический план и продольный разрез однокамерного шлюза приведены на рисунке 1. Шлюзование осуществляется с помощью камеры 1, разделяющей бьефы, и устройств, позволяющих выравнивать уровни воды в камере отдельно с верхним и нижним бьефами. Со стороны каждого бьефа камера имеет судоходные отверстия, перекрываемые воротами 2. Для маневрирования воротами шлюзы оборудуются механизмами, располагаемыми на площадках или помещениях голов шлюзов. При наполнении и опорожнении камера соединяется с бьефами водопроводными галереями 3, которые перекрываются затворами. Водопроводных галерей и затворов может не быть, если для наполнения или опорожнения используются судоходные отверстия. Для ремонта шлюза предусматриваются затворы, позволяющие отделить его от верхнего и нижнего бьефа при осушении камеры. Кроме ворот и затворов с механизмами, камеры шлюза оборудуются причальными устройствами для учалки судов.
Примыкающие к верхней и нижней головам шлюза подходы состоят из каналов для захода судна в шлюз, направляющих устройств, обеспечивающих безопасность входа судов в камеру, причальных устройств и сооружений для отстоя судов в ожидании шлюзования.
Обеспечение четкой и безопасной проводки судов на современных шлюзах гарантируется с помощью навигационной сигнализации, связи и автоматического управления всеми операциями шлюзования.
На внутренних водных путях нашей страны эксплуатируются более 100 судоходных шлюзов. Габариты шлюзовых камер достигают: длина - 300 м, ширина - 30 м, напор на одну камеру - 20 м.
Различные по своим техническим характеристикам современные судоходные шлюзы представляют собой уникальные сооружения с высокой степенью электрофикации, которая позволяет коренным образом улучшить технологию производственных процессов и условия труда обслуживающего персонала. Состав и характер электрического оборудования шлюза определяются его местом в технологической линии, интенсивностью движения на водной магистрали и уровнем автоматизации управления. Успешная работа судоходного шлюза зависит от надежности и четкости действия всех элементов электрического оборудования. В процессе проектирования и строительства шлюзов предусматривается, что их электрическое оборудование должно обеспечивать: заданный технологический режим работы объекта; постоянную готовность к действию;
возможность дистанционного, а в необходимых случаях и автоматического управления; экономичность и полную безопасность работы.
Указанные требования выполнимы лишь при высокой степени электрификации, автоматизации и качества электрического оборудования. 1. 2. Состав и назначение механического оборудования гидротехнических сооружений. Механическое оборудование шлюзов делится на:
основное, предназначенное для непосредственного выполнения операций по пропуску судов через шлюз. К нему относятся рабочие ворота, затворы и их механизмы; вспомогательное, необходимое для обеспечения пропуска судов по определенной схеме и включающее подвижные и неподвижные причальные устройства;
ремонтное, предназначенное для отделения камеры от верхнего и нижнего бьефов, состоящее из ремонтных и аварийных ворот, подъемных устройств, насосных агрегатов и т. п. Различные размеры камер шлюзов и назначения напоров, а также специфика работы вызвали появление большого разнообразия конструкций шлюзовых ворот ( плоские, подъемно-опускные, сегментные, откатные, двустворчатые и другие ) и затвор галерей ( плоские, сегментные, цилиндрические, дисковые и т. п. ). В настоящее время наибольшее распространение получили плоские подъемно-опускные и сегментные ворота для верхних голов шлюзов, двустворчатые - для нижних, плоские и цилиндрические затворы - для галерей.
Плоские подъемно - опускные ворота( рисунок 2 ) представляет собой щит 1, перекрывающий судоходное отверстие и перемещающийся на
колесных или скользящих опорах в вертикальных боковых пазах 2. Нижняя часть ворот выполнена с наклоном в сторону камеры для направления струи при наполнении на гасители и устранения вакуума под щитом и при его подъеме. Аналогичное устройство имеют и плоские затворы водопроводных галерей. В эксплуатационных условиях ворота могут принимать три положения: 1) рабочее ( судоходное отверстие перекрыто ); 2) наполнение ( открыта часть судоходного отверстия ); 3) судоходное ( судоходное отверстие открыто ).
По эксплуатационно - гидравлическим требованиям при наполнении камеры шлюза ворота приподнимаются над рабочем положением на 1-3 м с ограниченной скоростью до 0, 2-0, 6 м/мин, а по окончании наполнения, на скорости, превышающей скорость перемещения при наполнении в 20-25 раз, они опускаются в судоходное положение. В рабочее положение из судоходного ворота перемещаются также с большой скоростью. Плоские ворота конструктивно просты и позволяют перекрывать судоходные отверстия значительных размеров при относительно небольших габаритах голов камеры. Однако перемещение в вертикальной плоскости и требование двух резко отличающихся скоростей движения вызывает необходимость применения сложных приводных устройств и сооружения помещении для расположения электромеханического оборудования.
Сегментные ворота(рисунок 3 ) по назначению аналогичны плоским подъемно - опускным, но перемещаются они не по вертикали, а по дуге. Рабочая поверхность их криволинейна, что позволяет за счет давления воды в операции наполнения камеры обходится меньшими усилиями для подъема таких ворот по сравнению с плоскими.
Двустворчатые ворота(рисунок 4 ) состоят из двух полотен 1, вращающихся вокруг вертикальных осей, расположенных у стен камеры
2. В закрытом состоянии полотна опираются друг на друга опорными подушками створных столбов, образуя угол 160-170о с вершиной, направленной в сторону большего уровня воды ( верхнего бьефа ), создающего усилие для удержания створок закрытыми. В эксплуатационных условиях двустворчатые ворота могут занимать лишь два положения: рабочее ( судоходное отверстие закрыто )и судоходное ( судоходное отверстие полностью открыто ), так как наполнение камеры шлюза при такой системе ворот осуществляется с помощью обводных галерей, снабженных своими затворами.
Цилиндрические затворы водопроводных галерей (рисунок 5 ) представляет собой цилиндр 1, установленный в специальной нише и перекрывающий водопроводное отверстие своей торцовой частью. Рабочее перемещение затвора осуществляется в вертикальной плоскости с помощью винтовой передачи 2 или гибкого тягового органа.
Благодаря цилиндрической форме поверхности затвора боковое давление воды на него уравновешивается, поэтому подъемное усилие при маневрирование затвором невелико. К недостаткам цилиндрических затворов относятся потребность в сложной форме галерей и чувствительность к вибрациям. Механизмы ворот и затворовразличаются в зависимости от размеров шлюзов, их конструкции и общей компоновки. Все механизмы, как правило, имею редукторы или гидравлические передачи и тяговые органы. В качестве последних применяются цепные, тросовые, кривошипно-шатунные, штангово-цепные и штанговые устройства. Гидравлические передачи используют как для изменения передаточного числа и скорости движения рабочего органа, так и для получения необходимого вида механической характеристики привода. В гидравлических передачах рабочем телом является жидкость, свойства которой и определяют особенности этого типа передач.
Как и в любой передаче, в гидравлической также имеются входное и выходное звенья: первым может быть вал насоса, вторым - поступательно перемещающийся поршень в гидроцилиндре. Гидравлические передачи делятся на гидростатические ( объемного действия ) и гидродинамические. В первых давление, создаваемое насосом, передается через жидкость как рабочее тело на исполнительный орган, во вторых жидкость приводится во вращательное движение ведущим звеном и увлекает за собой ведомое. Мощность гидростатических систем в основном определяется давлением жидкости, и расход ее сравнительно невелик. Гидродинамические системы, наоборот, характеризуются большим расходом жидкости и малым статическим давлением. Гидростатические передачи, способные обеспечить большие передаточные числа и преобразовать вид движения, получили преимущественное применение на водном транспорте. Выходные звенья этих передач могут иметь возвратно-поступательное, вращательное или возвратно-поворотное движение ( соответственно силовые гидроцилиндры, гидромоторы, моментные гидроцилиндры ). На рисунке 6 представлена простейшая гидропередача, преобразующая вид движения. Давление, создаваемое насосом 1, с помощью распределителя 2 передается правой или левой полости цилиндра 3, обеспечивая необходимое направление движения рабочего органа. Дросселированием, т. е. отводом части жидкости с помощью дросселя 4 в емкость 5 по сливной магистрали, можно управлять скоростью движения поршня. Скорость движения рабочего органа можно изменять также регулированием насосной утановки. Гидравлические передачи имеют ряд достоинств, обеспечивающих их широкое применение в промышленности и на транспорте: возможность различного расположения узлов и элементов;
сравнительная легкость изменения направления движения рабочего органа; простота защиты установки и рабочих органов от перегрузки; бесшумность работы; малая масса на единицу мощности;
простота преобразования вращательного движения в поступательное и обеспечение больших передаточных чисел в объемных передачах.
Основными недостатками этих передач являются; сложности прокладки трубопроводных коммуникаций; большие потери давления и утечки жидкости в уплотнениях; зависимость характеристик систем от температуры жидкости и ее вязкости.
Тяговые органы служат для соединения приводного механизма с рабочим органом, т. е. с воротами или затворами шлюзов. Тяговые органы работают в исключительно тяжелых условиях, особенно в подъемных механизмах, где часто они находятся в воде и трудно доступны для обслуживания. Учитывая неравномерность нагрузки и тяжелые условия их работы, при проектировании тяговых органов стремятся обеспечить им прочность и надежность. 1. 3. Основные свойства электрофицируемых механизмов гидротехнических сооружений. Электрифицируемые механизмы гидротехнических сооружений работают в условиях, отличающихся влажностью ( 100 %), большими перепадами температуры ( 20-50оС ), значительными колебаниями нагрузки и длительными перерывами в работе ( при шлюзовании и особенно в межнавигационный период ). Для обеспечения безаварийной работы эти механизмы должны быть достаточно прочными, долговечными и надежными в эксплуатации. Кроме того, они должны иметь высокие технико-экономические показатели. Перечисленные требования распространяются и на электрическое оборудование. Главные нагрузки, действующие на электроприводы основных механизмов гидротехнических сооружений, создаются: собственным весом перемещаемых устройств; давлением воды и ветра на них.
Кроме этого, могут возникнуть случайные нагрузки, вызванные навалом свободно плавающих предметов и шлюзуемых судов, обледенением, ледоходом и т. п.
Указанные нагрузки, веса устройств, не остаются неизменными в процессе работ, поэтому все расчеты выполняются для двух возможных их сочетаний: основного и особого. В основное сочетание включают нагрузки, действующие постоянно при работе механизма, в особое - главные и случайные ( удары топляков, заклинивание, ледоход и т. п. ). Сочетания нагрузок выбирают в соответствии с практической возможностью одновременного их воздействия как на привод в целом, так и на отдельные его элементы. Нагрузки определяют для статического и динамического режимов работы.
По действующим в системе нагрузкам рассчитывают соответствующие им моменты и суммированием последних вычисляют результирующие моменты сопротивления движению Мс. При определении момента сопротивления нагрузки от навала свободно плавающих предметов и шлюзуемых судов, а также от обледенения и ледоходов можно не учитывать, пологая их выходящими за пределы максимального момента привода и регламентирующими лишь прочность конструкции электрифицируемого устройства. При этом например, для двустворчатых ворот с тросовыми, цепными, штанговыми и штангово-цепными передачами моменты ( в Н*м ) от действующих нагрузок приближенно будут такими: а) от веса системы ( момент трения в пяте и гвльсбанде ) Мтр=23Fиfrи+Fгfrг, где Fг и Fи - реакция в пяте и гальсбане, Н; f - коэффициент трения; rи, rг - радиус пяты и гальсбана, м;
б) от гидростатического и гидродинамического давления воды на створку Мг=0, 5Yhl2Dh+0, 15rhl2*q2 где Y - вес единицы объема воды, Н/м3; h - заглубление створки, м; l - длинна створки, м;
Dh - перепад уровней воды, м; r - плотность воды, кг/м3: q - скорость движения створки, м/с: в) от действия ветра Мв=Fвl/2, где Fв - сила ветра, действующая на створку, Н; l - длина створки, м. Момент сопротивления будет равен Мс=Мтр+Мг+Мв.
В динамическом режиме работы, кроме перечисленного, учитывают дополнительный момент ( в Н*м ) от сил инерции створки: Ми=Jw/t, где J - момент инерции створки, кг*м2; w - угловая скорость движения створки, с-1; t - время динамического режима, с;
Момент сопротивления движению подъемно-опускных ворот ( затворов ) создается главным образом весом ворот и сопротивлением трения в опорно-ходовых и закладных частях. Составляющие момента сопротивления ( в Н*м ) можно определить следующим образом: а) от собственного веса ворот ( затвора ) Мв=GRб, где G - вес ворот с тяговым устройством, Н; Rб - радиус барабана подъемной лебедки, м; б) от трения в опорно-ходовых и закладных частях Мтр=f1PRб+f2DPRб,
где f1, f2 - коэффициент трения опорного устройства и уплотнения; P и DP - силы гидростатического давления на ворота и на закладные части, Н. При этом Мс=Мв+Мтр. Для привода затворов галерей, кроме указанных нагрузок, учитывают момент, создаваемый вертикальным давлением воды: Мверт=YSRб( Hв-fоНн ), где S - площадь затвора, м2;
Hв, Нн - напор на верхнюю и нижнюю ( выпор ) поверхности затвора, м; fо - коэффициент подсоса. 1. 4 Элементы электрического оборудования шлюзов.
Электрическое оборудование, обеспечивающее четкую и надежную работу гидротехнических сооружений, условно можно разделить на три основных группы: силовое электрооборудование приводов, электрические аппараты и системы управления, элементы и устройства электроснабжения. 1. 4. а. Силовое оборудование приводов. К силовому электрооборудованию прежде всего относят электрические двигатели и электрические приводы тормозов.
Электрические двигатели. К электрическим двигателям гидротехнических сооружений предъявляются высокие требования в отношении обеспечение нормальной работы в условиях резких колебаний нагрузки, температуры окружающей среды и повышенной влажности. На гидротехнических сооружениях применялись исключительно крановые электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым и фазным ротором серии МТК и МТ специального исполнения, обладающие достаточно высокой перегрузочной способностью и механической стойкостью. От обычных они отличаются тем, что обмотка статора их при изготовлении подвергается вакуумной пропитке изоляционным влагостойким компаундом, а в подшипниковых щитах имеются вентиляционные отверстия, предназначенные для предотвращения появления конденсата внутри двигателя.
В настоящее время на гидротехнических сооружениях получают распространение и крановые двигатели серий МТКВ МТВ с изоляцией класса В, допускающей увеличение номинальной мощности двигателя при прежних габаритных размерах. Из - за отсутствия крановых двигателей необходимой мощности стали применяться двигатели общепромышленного назначения. Однако эти двигатели менее надежны в эксплуатации, хуже работают в условиях гидротехнических сооружений, обладают меньшей перегрузочной способностью.
Режим работы двигателей гидротехнических сооружений, как правило, кратковременный с ярко выраженной цикличностью работы. Продолжительность цикла в зависимости от вида сооружения и характера работы составляет 30 -60 минут. Продолжительность работы двигателей в цикле при этом колеблется от одной до 6 - 8 минут.
Электрические приводы тормозов. Большинство механизмов гидротехнических сооружений снабжают тормозами закрытого типа, как правило, колодочными. Тормоза служат для удержания подъемноопускных устройств в поднятом положении, а поворотных в строго фиксированном положении. Кроме того, с помощью тормоза можно сократить тормозной путь - выбег механизма. Особенно высокие требования предъявляются к тормоза многодвигателтельных систем, где необходима одинаковая эффективность действия тормозов для сохранения синхронизации и последовательности движения элементов. Для приведения в действие механических тормозов применяются длинноходовые электромагниты серии МО и электрогидравлические толкатели серии ЭГП. 1. 4. б. Электрические аппараты системы управления. Эта группа объединяет аппараты коммутации и защиты, аппараты технологической последовательности и блокировок, контроля и сигнализации. Кроме управления основными механизмами и процессами, специальные системы этой группы аппаратов обеспечивают информацию о состоянии наиболее ответственных элементов и режимах работы и осуществляют регулирование движения судов. Коммутационные аппараты. Для коммутации силовых цепей гидротех нических сооружений применяются в основном электромагнитные контакторы серии КТ. Бесконтактные ( полупроводниковые ) контакторы тока используют лишь в опытном порядке с тиристорными станциями управления. Аппараты защиты. На шлюзах применяются максимальная токовая и минимальная защита. Для максимальной токовой защиты двигателей ворот и затворов обычно используют электромагнитные или индукционные реле максимального тока серии РЭ и ИТ, Для защиты от перегрузок электротепловые реле ТР, для минимальной защиты - реле напряжения.
Реле промежуточное используется для подготовки цепей управления к заданным операциям ( например, цикловому или раздельному управлению ). Кроме того, промежуточные реле в некоторых случаях позволяют сократить число контактов, включаемых в цепь управления. Например, вместо того чтобы включить кнопку " Стоп " всех постов управления в цепь управления, можно включить их цепь катушки промежуточного реле. При нажатии любой из этих кнопок размыкаются контакты этих реле в цепи управления и происходит остановка привода. В качестве промежуточных реле широкое применение находят реле серии РП. Реле времени служат для управления контакторами ускорения, а также в других случаях, когда необходимо, чтобы между двумя операциями был определенный промежуток времени. Для этих целей на водных путях в основном используются электромеханические реле с приводом на переменном токе и электромагнитные реле времени постоянного тока.
Кнопки и ключи управления применяются общего назначения, рассчитанные на работу в условиях повышенной влажности. Путевые выключатели. На шлюзах черезвычайно распространены путевые выключатели. Они служат для отключения двигателей при достижении затворами конечных и предельных положений, а также для блокировок. Различают путевые выключатели двух типов: блок - аппараты и конечные выключатели. Первые, по своему устройству подобные командоконтроллерам, являются средством управления и блокировок в функции пути, а вторые, обычно рычажного типа, устанавливаются для срабатывания в конце пути. На гидротехнических сооружениях находят применение и бесконтактные выключатели, работа которых основана на изменении их индуктивного или емкостного сопротивления при перемещении подвижного якоря. Такие выключатели малогабаритны, герметичны, с успехом работают в агрессивной среде, и в частности в подводных частях сооружений.
Панели и пульты. Аппаратуру управления и защиты располагают, как правило, на контакторных панелях, собранных из прямоугольных изоляционных плит и укрепленных на угловых стойках. Коммутационную аппаратуру, реле управления и защиты устанавливают на лицевой стороне с выводом защиты для монтажа с обратной стороны панелей, где находятся измерительные трансформаторы и пускорегулирующие резисторы. Размещение чувствительных реле на контактных панелях в непосредственной близости от мощных контакторов имеет существенный недостаток, заключающийся в ложных срабатываниях реле от вибрации, вызываемой включением и выключением контакторов. Поэтому на современных шлюзах чувствительную аппаратуру управления располагают на отдельных панелях, называемых панелями автоматики. Командоаппараты и приборы технологического контроля и сигнализации устанавливают в полном объеме на центральном или в сокращенном на местном пультах управления. Все приборы и устройства на центральном пульте управления размещают в соответствии с мнемонической схемой объекта. Центральный пульт находится в отдельном помещении, чтобы обеспечить оператору хорошую видимость объекта. Местный пульт обычно устанавливают непосредственно около управляемого механизма и снабжают запирающейся крышкой. 1. 4. в Оперативная сигнализация. К числу основных устройств сигнализации и контроля относятся устройства производственной ( оперативной, поисковой и аварийной ) сигнализаций. Среди них наиболее заметное место занимает оперативная сигнализация.
Для успешной работы оператор шлюза должен иметь возможность в любое время установить, в каком положении находятся ворота и затвор ( насколько они открыты или закрыты ), а также каковы уровни воды в камере и обоих бьефах. Для этой цели применяется оперативная указательная ( индикаторная ) сигнализация. На (рисунке 6, а и б) изображены показатели положения подъемно - опускных и двустворчатых ворот. Основу указателей составляют сельсины, образующие систему синхронной связи (см. п. 30 ).
С приводом ворот связан ротор сельсина - датчика, который поворачивается при их перемещении. При этом поворачивается и ротор сельсина приемника, электрически соединенного с сельсином - датчиком. С сельсином - приемником, находящемся на центральном пульте управления, связан указатель, который и отражает положение ворот.
Указатель уровня воды в камере работает следующим образом. На одной из голов шлюза устанавливают колодец, сообщающийся с камерой, в который помещают поплавок, закрепленный на тросе и уравновешенный противовесом. При изменении уровня воды в камере поплавок поднимается или опускается, отчего начинает вращаются ролик, охватываемый тросом. Это вращение передается через редуктор сельсину - датчику и через сельсин приемник отражается на экране стрелочного, ленточного или цифрового указателя. Аналогично работают и указатели уровня воды в бьефах. Как известно, дифференциальный сельсин - приемник позволяет определить угол рассогласования между роторами двух сельсинов - датчиков. Этот принцып положен в основу работы указателей ( индикаторов ) разности уровней воды в камере, верхнем или нижнем бьефах и указателей перекоса затвора.
Обмотка статора дифференциального сельсина - указателя разности уровней получает питание от ротора сельсина - датчика, угол поворота которого зависит от уровня воды в бьефе ( верхнем или нижнем ), а обмотка ротора включена на зажимы ротора датчика, угол поворота которого зависит от уровня воды в камере. Указатель разности уровней воды необходим для управления воротами шлюза. Указатель перекоса предусматривают, если затвор поднимается и опускается с помощью двух механически не связанных двигателей, установленных на противоположных устоях камеры. Даже при наличие " электрического вала " в таких случаях возможно появление перекоса. Перекос затвора весьма опасен из - за увеличения напряжений в нем и возможности его заклинивания, а также перегрузок электрических двигателей.
Статор дифференциального сельсина - указателя перекоса получает питание от ротора сельсина - датчика положения левой стороны затвора, а его ротор подключен к ротору сельсина - датчика положения правой стороны затвора. Если перекос превышает заданное максимальное значение, цепь управления данным приводом автоматически разрывается. Рассматриваемые приборы выполняют не только функции сигнализации, но и контроля. Они имеют контакты, замкнутые при угле рассогласования, не превышающем заранее заданного значения, и разомкнутые, если этот угол больше допустимого. Контакты указателей включаются в цепь соответствующих реле, а контакты последних - в цепь управления. На (рисунке 6) приведена принципиальная схема оперативной указательной сигнализации для одного из шлюзов.
На схеме приняты следующие обозначения: ВСВ - датчик уровня воды верхнего бьефа; ВС11 - датчик положения ворот верхней головы; ВС12
- то же, правой стороны; ВЕВ2 - приемник разности уровней воды между верхним бьефом и камерой; ВЕВ - приемник абсолютного уровня воды верхнего бьефа; ВЕ1 - приемник положения ворот верхней головы; ВЕР1
- приемник перекоса ворот верхней головы; ВС2 - датчик уровня воды в камере; ВСН - датчик уровня воды в нижнем бьефе; ВС31 - датчик положения левой створки ворот нижней головы; ВС32 - датчик положения правой створки ворот нижней головы; ВС41 - датчик положения левого затвора галерей; ВС42 - то же правого затвора галерей; ВЕН2 - приемник разности уровней воды между камерой и нижним бьефом; ВЕН - приемник абсолютного уровня воды в нижнем бьефе; ВЕ31 - приемник положения левой створки ворот нижней головы; ВЕ32 - приемник положения правой створки ворот нижней головы; ВЕ41 - приемник положения затвора левой галереи; ВЕ42 - приемник положения затвора правой галереи; KV2 - реле напряжения цепи питания сельсинов; КВ2 - реле разностей уровней воды межу верхним бьефом и камерой; КН2 - реле разностей уровней воды между камерой и нижним бьефом; KV1 - реле перекоса.
Как видно из схемы, в камере, в верхнем и нижнем бьефах, установлено три датчика: ВС2 - датчик уровня воды в камере; ВСВ - датчик уровня воды в верхнем бьефе; ВСН - датчик уровня воды в нижнем бьефе, каждый из которых питает ротор обычного сельсина - указателя уровня. Кроме того, каждый из этих датчиков питает одну из обмоток дифференциальных сельсинов, контролирующих разность уровней. Для ворот верхней головы на схеме показано три датчика. Один из них - ВС1 - питает ротор приемника, указывающего положение затвора, два других - ВС11 и ВС12, связанных с левой и правой сторонами ворот, - питают дифференциальный сельсин - указатель перекоса. Что касается двустворчатых ворот и затвора водопроводных галерей, то на каждые створку и затвор установлено по одному датчику, питающему ротор приемника, который указывает положение той или иной створки или затвора. Указатели разности уровней и перекоса снабжены контактной системой. Контакты указателей включены последовательно с катушками промежуточных реле разности уровней и перекоса. Контакты SB2 и SH2 замкнуты при одинаковых уровнях, при неравных разомкнуты. Контакты SP1 замкнуты при перекосе, не превышающем заданное значение, при большем перекосе они разомкнуты. Оперативная сигнализация у различных шлюзов устроена неодинаково. В качестве примера рассмотрим принципиальную схему оперативной ламповой сигнализации (рисунок 8), в которой КВ1 - контакт реле мигающего сигнала; SQ1 - SQ3, SQ6 и SQ7 - контакты путевого выключателя, замкнутые при открытых затворах ( воротах ); SQ4, SQ5, SQ8, SQ9 - то же, замкнутые при закрытых воротах; KV - контакт реле блокировки ворот, замкнутый при закрытых воротах; К12 и К32 - контакты реле разности уровней воды между камерой и верхним и нижнем бьефами, замкнутые при уравненных уровнях. При открытом затворе горит зеленая лампочка Н3, при закрытом - красная НК, при движении затвора лампа мигает. Показанные на схеме замыкающие и размыкающие контакты являются вспомогательными контактами оперативных аппаратов управления операциями открытия О и закрытия Z затворов ( ворот ).
Пусть, например, ворота верхней и нижней голов шлюза закрыты, затворы водопроводных галерей открыты и уровень в камере выровнен с уровнем нижнего бьефа. В этом случае будут разомкнуты контакты путевого выключателя SQ1, SQ4, SQ5 - SQ7 и замкнуты контакты SQ2, SQ3, SQ8, SQ9. Будут замкнуты замыкающие контакты KV1 и К12 и закрыты все показанные на схеме размыкающие контакты. В результате этого будут гореть красные лампы НК3, НК4, НК16 - НК18 и зеленые Н36 - Н39. Пусть получают питание катушки оперативных контакторов КО1 и КО2, включающие двигатели приводов двустворчатых ворот в сторону открытия. Створки ворот придут в движение. При этом разомкнутся размыкающие контакты КО1 и КО2 и замкнутся замыкающие контакты КО1 и КО2. зеленые лампы НЗ13 - НЗ15 загорятся мигающим светом. Контакты путевого выключателя SQ8 и SQ9 разомкнутся, и красные лампы НК16- НК18 погаснут. Когда створки полностью откроются, потеряют питание катушки контакторов КО1 и КО2, откроются замыкающие контакты КО1 и КО2 и закроются размыкающие вспомогательные контакты КО1 и КО2. Поскольку при открытых створках контакты SQ6 и SQ7 замкнуты, зеленые лампы горят постоянным светом.
Ответной частью оперативной сигнализации является та часть, которая относится к изменению уровней воды и перепадов. На многих шлюзах эти устройства объединяют в общий водокомандный или водомерный прибор. В качестве примера приведена схема комбинированных водомерных приборов, которые измеряют уровни воды в камерах и бьефах, показывают их отметку и значение напоров на верхние и нижние ворота.
Комплект водомерного прибора состоит из трех пар сельсинов ВС ( датчик ) и ВЕ ( приемник ). Они работают на исполнительные двигатели М через дифференциальную механическую передачу, приводящую в движение счетное цифровое устройство и вспомогательные контакты. Функциональная схема одной пары сельсинов прибора приведена на (рисунке 9). Прибор работает по принципу фазового управления, при ко тором у исполнительного двигателя нагрузки по току независимо от угла рассогласования сельсинов всегда остаются примерно одинаковыми по значению.
Особенностью и ценным свойством прибора является его самосинхронизация, заключающаяся в способности системы приходить в состояние согласования при появлении электрического питания, если рассогласование произошло при его отсутствие. Это достигается благодаря тому, что предельный угол поворота ( рассогласования ) роторов сельсинов принят меньше 180о . Однако опыт эксплуатации комбинированных водомерных приборов показал, что чувствительность их при измерениях перепадов уровней 15 - 20 м недостаточна. Для шлюзов с малым напором а также для бьефов, в которых изменения уровня воды сезонные и при шлюзовании не превышают 1, 5 - 3 м, можно повысить чувствительность следящей системы при фазовом управлении увеличением угла поворота роторов сельсина - датчика и сельсина - приемника ( в пределах 160о ) на единицу перепада уровня воды. Для изменения соотношения перепада воды и угла поворота роторов в этом случае необходимо изменить соответствующим образом передаточные числа механизмов от поплавка к сельсину - датчику и от исполнительного двигателя к сельсину - приемнику и счетному механизму. 1. 4. г. Поисковая сигнализация. Бесперебойность работы шлюза в значительной степени зависит от того, как быстро будет найдена и ликвидирована неисправность в цепи управления, в результате которой тот или иной привод отказывает в работе. Такой неисправностью часто может быть разрыв цепи управления из - за того, что какой - либо контакт в ней не сработал, то есть оказался разомкнутым. Поскольку таких контактов в схеме электроприводов шлюза очень много, нахождение неисправного контакта без специального устройства, называемым искателем повреждений, представляло бы большую трудность.
Простейший искатель повреждений состоит из коммутатора SA и сигнальной лампы HL, включаемых параллельно контролируемой цепи (рисунок 10). При неисправности контролируемую электрическую цепь проверяют поворотом рукоятки искателя, передвигая ползунок по контактам, наблюдают за сигнальной лампой. По положению ползунка в котором загорается лампа, находят неисправный контакт или участок цепи. Усовершенствование рассмотренного искателя повреждений является автоматический искатель. У него ползунок перемещается специальным импульсным ( шаговым ) двигателем, который приходит в движение всякий раз, когда нарушается блокировочная цепь. Это происходит в результате замыкания размыкающего контакта контактора или реле, включенного в цепь блокировки. С помощью шагового двигателя ползунок искателя толчками перемещается с контакта на контакт и при достижении места разрыва останавливается. После восстановления цепи импульсный двигатель доводит ползунок до начального, нулевого, положения. На статоре 1 шагового двигателя (рисунок 11) имеются две обмотки постоянного тока, состоящие из трех катушек каждая. Катушки надеты на сердечник статора. Якорь шагового двигателя 2 имеет два полюса. При включении тока в одну из групп катушек другая группа, против которой находится полюсы якоря, отключаются. В результате якорь поворачивается на одно полюсное деление. Затем ток включается в другую группу катушек, а ранее включенная отключается и якорь поворачивается еще на одно полюсное деление. Таким образом, посылая ток то в одну, то в другую группу катушек двигателя, получают "шаговое" вращение якоря и ползункового устройства искателя повреждений. Ползунковые и автоматические искатели имеют существенные недостаток - от искателя к каждому проверяемому контакту необходимо прокладывать отдельный провод, а это, при значительном числе блокировочных устройств, требует очень много контрольных кабелей. Кроме того, большое количество проводов и контактов, само по себе усложняя установку, делает ее менее надежной. В связи с этим было сконструировано более совершенное и надежное телемеханическое устройство - телеискатель.
К элементам, обеспечивающим работу телеискателя (рисунок 12), относятся: реле искателя KV1; реле блокировки KV; линейный контактор КМ; размыкающий контакт промежуточного реле максимальной защиты KVA; замыкающий контакт промежуточного реле кнопки "Стоп" KVS; замыкающий контакт реле восстановления К1; контакт датчика S, замкнутый только в нулевом положении SA. При нормальной работе схемы, когда ни одно из максимальных реле не сработало и замкнуты все контакты путевых выключателей, контакты KVA, KVS, KV и KM замкнуты, катушки линейного контактора КМ и реле блокировки KV получают питание. При этом подвижной контакт телеискателя SA находится в нулевом положении ( как показано на схеме ), размыкающий контакт КМ разомкнут и нижняя часть схемы не работает ( реле времени КТ1 - КТ3 обесточены ). Если, например, сработает какое либо реле защиты ( пусть К5Н ), сразу же получит питание катушка KVA ( на схеме не показана ), которая разомкнет свой размыкающие контакты. В результате катушка КМ лишается питания и ее замыкающий контакт КМ размыкается, а размыкающий контакт КМ замыкается. Аналогичная картина наблюдается при размыкании какого - либо контакта путевого выключателя. В этом случае теряет питание катушка блокировочного реле KV и размыкается замыкающий контакт в цепи катушки КМ. В результате замыкания контакта КМ получает питание катушка КТ1, реле срабатывает и замыкает свои замыкающий контакт КТ1, который замыкает цепь катушки КТ2. Последняя, получив питание, размыкает размыкающий контакт в цепи катушки КТ1 и отключает ее от сети, но сама не теряет питание, так как получает его через контакт КТ1, размыкающийся с выдержкой времени. Кроме того, реле КТ2 замыкает контакты КТ2 и тем самым подготовит к работе реле КТ3 и обеспечит питание первой группы обмоток шаговых двигателей L1M1 и L1M2. Роторы обоих двигателей поворачиваются на один шаг, и подвижной контакт комутатора SA переходит в положение 1.
Если контакт К1Н замкнут, через него получает питание катушка KV1, замыкающий контакт которой шунтирует контакт S, размыкающийся при переходе контакта SA с нулевого в первое положение.
Вернемся теперь к работе реле времени КТ1 - КТ3. Поскольку реле КТ2 отключило катушку КТ1, то с выдержкой времени оно само потеряет питание, но при этом замыкается размыкающий контакт КТ1 в цепи катушки реле КТ3. Последнее, сработав, подает питание во вторую группу обмоток шаговых двигателей L2M1 и L2M2. Роторы двигателей поворачиваются на следующий шаг, и подвижной контакт коммутатора перемещается в положение 2. В связи с тем что катушка КТ2 отключилась, вновь замыкается размыкающий контакт КТ2 в цепи КТ1 и схема приходит в первоначальное положение. Опять срабатывают реле КТ1 и КТ2 и через контакт КТ2 получает питание первая группа обмоток L1M1 и L1M2 и т. д. , пока подвижной контакт коммутатора не переместится в положение 5. По принятому выше условию контакт К5Н разомкнут. Поэтому реле KV1 теряет питание и катушки КТ1 - КТ3 обесточиваются. Шаговые двигатели останавливаются. Положение подвижного контакта коммутатора указывает место повреждения. Поскольку одинаковое число шагов сделают двигатели датчика и приемника, то указатель, связанный с последним, покажет номер разомкнутого контакта в цепи управления. После устранения неисправности телеискатель вновь начинает работать и его подвижной контакт доходит до последнего положения ( на схеме положение 15 ). При восстановлении схемы ( срабатывания реле восстановления и закрытия его замыкающего контакта К1 ) подвижной контакт коммутатора перемещается в нулевое положение и схема искателя опять готова к работе. Датчик искателя находится непосредственно у механизма, а его приемник - на центральном пульте управления. Датчик и приемник соединены двумя проводами. 1. 4. д. Светофорная сигнализация. Светофорная сигнализация шлюзов может быть различной по количеству светофоров и числу огней в них. На (рисунке 13) приведена одна из возможных схем расстановки светофоров для однокамерного шлюза. В пределах камеры вблизи каждых ворот устанавливают двузначные выходные светофоры Н13, Н23. Зеленый огонь разрешает выход из камеры, красный запрещает его. Вен камеры, в непосредственной близости от нее, у каждых ворот размещают входные светофоры Н12, Н22. Кроме того, на каждом бьефе на расстоянии 400 - 600 метров от камеры располагают светофор дальнего действия Н11, Н21. Иногда между входным и дальним светофорами устанавливаются и промежуточные светофоры. Принципиальная схема управления огнями светофоров верхней головы приведена на (рисунке 14). Светофорами управляют при помощи специальных выключателей S21, S22, S23. При этом цепи питания ламп входных и выходных светофоров сблокированны с соответствующими воротами таким образом, что зеленый ( разрешающий ) огонь может быть включен только при полностью открытых воротах.
Из приведенной схемы видно, что при разомкнутых контактах S21, S22 и S23 горят красные огни, так как обесточены катушки реле К1, К3, и К5 и их размыкающие контакты замыкают цепи в первичных обмотках трансформаторов. При этом срабатывают катушки реле К2, К4, К6, замыкающие контакты которых включают красные сигнальные лампы на пульте. Если, например замкнуть контакт S21, то получит питание первичная обмотка трансформатора Т1 - загорится зеленый огонь на дальнем светофоре. Включенное последовательно с этой обмоткой реле К1 срабатывает, размыкаются его размыкающие контакты, которые прерывают ток в первичной обмотке трансформатора Т2. Одновременно замыкаются его замыкающие контакты , которые включают зеленую лампу на пульте управления. Переключение огней входных и выходных светофоров при цикловом шлюзовании автоматизируется. Это значит, что при открытии соответствующих ворот в зависимости от направления шлюзования может автоматически включатся разрешающий зеленый огонь на входном или выходном светофоре. Чтобы оператор был всегда осведомлен о цвете огней на светофорах и их исправности, на центральном пульте управления устанавливают лампы, дублирующие огни светофора. Эти лампы включаются таким образом, что при погасании лампы светофора немедленно гаснет соответствующая сигнальная лампа на пульте управления. Для этого последовательно с первичной обмоткой трансформатора, питающего данную лампу светофора, включается катушка одного из чувствительных реле К1 - К6. При нормальной работе светофора ток, текущей по катушке реле, достаточен для того, чтобы закрылись его замыкающие контакты и включили сигнальную лампу. Если нить лампы светофора перегорит или произойдет обрыв цепи вторичной обмотки трансформатора, ток, текущий по первичной обмотке трансформатора, уменьшается и замыкающие контакты реле разомкнутся. 1. 4. е. Элементы и устройства электроснабжения. К числу основных элементов и устройств для обеспечения гидротехнических сооружений электрической энергией относятся: силовые трансформаторы, распределительные устройства снабжением свыше 1000 В, шкафы распределительные силовые и кабельные сети. Силовые трансформаторы. В качестве силовых трансформаторов на гидротехнических сооружениях применяются масляные трансформаторы типа ТМ, осуществляющие трансформацию электрической энергии напряжения 6, 10, 35 кВ в напряжение приемников электрической энергии, равное 0, 4 кВ. Трансформаторы, как правило, с естественным охалождением устанавливаются в ячейках специальных помещений, находящихся в непосредственной близости от приемников электрической энергии. В полу ячеек размещают маслоприемник для слива масла в случае аварии с трансформатором, которые засыпают крупным гравием и щебнем. Для отбора пробы масла в нижней части трансформатора предусматриваю специальный отборный кран. Для изменения выходного напряжения силового трансформатора в процессе эксплуатации на +5% предусматривается возможность переключения обмоток в обесточенном состоянии трансформатора. Распределительные устройства напряжением свыше 1000 В. Для уп равления трансформаторами, питающимися и отходящими линиями применяются распределительные устройства ( РУ ) напряжения до 1000 В. В ячейках этих устройств устанавливают коммутационные защитные, измерительные и сигнальные устройства. В качестве коммутационных аппаратов используются шинные и линейные разъединители, выключатели нагрузки и масляные выключатели. Коммутационные аппараты снабжают ручным и двигательным приводом. Наиболее распространенным типом привода на трансформаторных подстанциях гидротехнических сооружений является привод ПРБА рычажный с блинкером срабатывания, максимальной и минимальной защитой, действующей на отключение. Для систем с автоматическим отключением резерва ( АВР ) применяется привод дистанционного управления типа УГП - универсальный грузовой привод с автоматической защитой. На гидротехнических сооружениях используют РУ закрытого исполнения, предназначенные для размещения в отдельных помещениях трансформаторных подстанций или в отдельных помещениях поблизости от силовых трансформаторов.
Шкафы распределительные силовые. Служат для распределения электроэнергии от силового трансформатора по группам электроприемников и отдельным крупным приемникам. Силовые распределительные щиты комплектуются из стандартных панелей и содержат сборные шины, коммутационную аппаратуру, защиту, сигнализацию и контрольно - измерительную аппаратуру. На гидротехнических сооружениях получили распространение распределительные щиты с двусторонним обслуживанием. На лицевой стороне таких щитов размещены приводы коммутационных аппаратов, измерительные и сигнальные устройства, а токоведущие части расположены на обратной стороне панелей. Широко применяются комплектные распределительные щиты закрытого типа, в которых в качестве коммутационной и защитной аппаратуры используются электромагнитные аппараты управления. Распределительные щиты устанавливают в отдельном помещении преимущественно вблизи от центрального пульта управления. Кабельные сети. В качестве распределительных сетей на гидротех нических сооружениях применяются электрические кабели. Для силовых цепей при напряжении до 1000 В преимущественно используются бронированные кабели с медными жилами, свинцовой оболочкой и бумажной изоляцией СБТ. Находят применение так - же силовые кабели с алюминевыми жилами в свинцовой или алюминевой оболочке АСБ и ААБ. В качестве контрольных кабелей преимущественное распространение получили бронированные кабели со свинцовой или виниловой герметизирующей оболочкой с медными жилами КСРБ и КВРБ. Для присоединения подвижных электроприемников и переносной электроаппаратуры применяются гибкие шланговые кабели с резиновой изоляцией КРПТ, ШРПС и ШРМ. Удобство монтажа и обслуживания обеспечивает маркировка кабелей и кабельных жил с указанием типа кабеля и назначения жил. 2. ОПИСАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ОБЪЕКТА
Затворы, которые служат для перекрытия судоходных отверстий в головах шлюзов, называют воротами. В зависимости от назначения и условий работы ворота подразделяются на основные , ремонтные и аварийные. Основные рабочие ворота предназначены для непосредственного выполнения операций по пропуску судов через шлюз, ремонтные применяются для закрытия судоходных отверствий при ремонте основных ворот и подводных частей сооружения, а аварийные перекрывают поток воды при повреждений рабочих ворот. Рабочие ворота могут использоваться для наполнения и опорожнений камеры. При выборе типа и конструкции ворот, наряду с требованиями достатичной прочности и жескости, экономности и ремонтопригодности, необходимо учитывать удобство их в эксплуатации и надежности в работе.
Различные размеры камер шлюзов и величины напоров, а также разнообразие требований вызвали появление многочисленных конструкций шлюзовых ворот. Все ворота разбиваются на две большие группы: однополотные двухполотные (двустворчатые ). Однополотные ворота бывают плоскими, поворотными на вертикальной или горизонтальной оси, подъемными, опускными и откатными, сегментными и секторными. Двустворчатые ворота бывают плоскими, цилиндрическими и сегментными ( с вертикальными осями вращения ).
Рабочие ворота всех типов должны выдерживать кроме гидростатических и гидродинамических нагрузок в закрытом положении, возможные случайные удары от навалов на них судов, подходящих со стороны верхних бъефов. В настоящее время наибольшее распространение получили двустворчатые ворота, главным образом, для нижних голов шлюза, плоские опускные ворота - для верхних. Однотипные, откатные и подъемные, сегментные и платянные находят меньшее применение и не рекомендуются к разработке в проектах без специального обоснования. Широкое применение двустворчатых ворот обусловленно их высокой надежностью в работе, меньшим весом конструкции и механизмов и, следовательно, более высокими экономическими покозателями. Они могут удерживать большие напоры воды, они применяются в качестве основных ворот на нижних головах шлюзов. Лиш в отдельных случаях они применяемы на верхних и средних головах. В условиях колебания уровней воды в верхнем бъфе применение двустворчатых ворот на верхней голове нерационально, из - за возникающих трудностей при створении, а также повышенных нагрузок на механизмы ворот. Двустворчатые ворота применяются также в качестве ремонтных ворот как на верхней так и на нижней головах. Наполнение и опорожнение шлюзов, оборудованных двустворчатыми воротами, производится, как правило, через водонапорные галереи, а также через специальные отверствия в полотнищах ворот, перекрываемых клинкетами.
2. 1. Элементы ворот и действующие нагрузки. Двустворчатые ворота состоят из двух полотен опирающихся в закрытом состоянии друг на друга опорными подушками створных столбов. В открытом состоянии, при пропуске судов, створки входят в расположенные в устоях вертикальные ниши, называемые шкафами. Набор полотна включает в свой состав раму с вертикальными или горизонтальными ребрами. Эти части ворот имеют следующие названия: горизонтальные ребра ригели, вертикальные ребра - стойки.
Сама рама имеет по оси вращения - вереяльный столб; по створу - створный столб; по верху - верхний ригель; по низу - нижний ригель; по диагонали - диагональные связи. Конструктивная схема ворот показана на (рисунке 15). Плоские двустворчатые ворота встречаются с полотнами ригельной системы, а также стоечной. Ориентировочно, если высота ворот больше 0, 75 длинны, применяют ригельную систему, а при меньшей - стоечную.
Конструкция плоских ригельных ворот показанна на (рисунке 15). Против каждого ригеля на вереяльном и створном столбах расположены упорные подушки. Через упорные подушки створки опираются друг на друга в створе и передают давление воды на закладные подушки устоев головы. Ригели - балки составного двухстворового сечения со сплошной стенкой. Стрингеры - продольные ребра, предназначены для увеличения устойчивости обшивки при работе ее на сжатие в общей системе ворот. Они устанавливаются между ригелями и представляют собой балки прокатного профиля. Вереяльные створные столбы выполняются в виде коробчатых балок трапецидального сечения. В верхней части вереяльного столба закрепляется ось гальсбанда, а в нижней - надпятник. Для обеспечения устойчивости ригелей при продольном сжатии ставят диафрагмы по длине створки на расстоянии 1, 7 - 2, 7 м. С целю уменьшения перекоса створки от собственного веса делаются диагональные связи. В верхней части створных столбов устанавливаются захваты для обеспечения точного створения ворот. Основным условием, обеспечивающим нормальную работу ворот, является сохранение их геометрических размеров. При эксплуатации изменение длинны створок происходит в следствии упругой деформации ригелей, створных столбов, износа вкладышей и их деформации. Уменьшение длинны створок ведет к уменьшению стрелы подъема арки и увеличению продольных усилий в ригелях ворот при напоре. Практика показывает, что просадка ворот может достигать значительных величин ( до 50 - 100мм ). С увеличением срока эксплуатации эти величины возрастают. Посадка также отрицательно сказывается и на работе пятового устройства.
Ввиду того что обычные способы не дают точных значений просадки по нижнему ригелю, применяются различные устройства для контроля посадки ворот, позволяющие вести соответствующие наблюдения. Описанное снизу подобное устройство (рисунок 16) по принципу работы электромеханическое. Датчиком служит рычажно - пружинная механическая система, а передающий элемент - электрический. Механический датчик контроля ворот работает следующим образом. При подходе створки к порогу шток через тягу и стакан пружины передает движение двуплечному рычагу стрелки, которая поворачивается на соответствующий угол на торированной шкале, указывает прогиб ворот. Пятовые устройства - наиболее ответственные узлы ворот. При вращении створки пята воспринимает ее вес и горизонтальную составляющую нагрузки от сил перепада уровней воды и ветровой нагрузки на выступающую подветренную часть ворот. Величина перепада при открытии ворот принимается равной 0, 15м. Конструкция пяты двустворчатых ворот состоит обычно из двух основных частей - надпятника, укрепленного на створе ворот, и подпятника, заделанного в бетон. Расположенная под водой и требующая для своего осмотра и ремонта откачки камеры пята является весьма ответственной частью ворот, работа которой должна быть особенно надежна. Конструкций пят существует несколько. во всех конструкциях сохраняется эксцентриситет в плане ( смещение ). Все пяты грибовидные и отличаются способом крепления хвостовика гриба устройства. Имеются конструкции пят, где между подвижными и неподвижными частями подпятника устанавливаются кольца из пластин красной меди. Надпятник выполнен из стального литья за одно целое с упорной подушкой и прикрепленной болтами к нижней части вереяльного столба. В надпятнике закреплен бронзовый вкладыш, в который входит грибовидная пята из нержавеющей стали. Хвостовик пяты крепится в отливке, которая, в свою очередь устанавливается в бетонном основании и крепится фундаментными болтами. Гальсбанд является верхней опорой створки, удерживающей ее от опрокидывания. С его помощью производится установка вертикального положения створки. Гальсбанд представляет собой конструкцию, состоящую из колец, охватывающих шейку или шип на створке ворот, и двух горизонтальных тяг, соединенных с элементами, заделанными в бетонную кладку устоя. Вращая гайки стяжек, можно изменять их длинны и, следовательно, устанавливать положение оси гальсбанда. Для облегчения вращения стяжных гаек применяется дифференциальная резьба. Устанавливая створку по направлению одной из тяг, разгружается для регулировки вторая. Вереяльные "шарниры" ворот состоят из закладных и упорных подушек. Закладная подушка воспринимает давление от трехшарнирной арки и передает его на бетон, этим и объясняется большие размеры основания подушек. В бетоне закладная подушка закрепляется анкерными болтами. Овальные отверстия для анкерных болтов позволяют регулировать ее установку. Упорная подушка, также как и закладная, отливается из стали, а ее пазы заливаются баббиттом или компаундом из эпоксидной смолы. Такие подушки устанавливаются на створном столбе, вторая упорная подушка створного шарнира не имеет вкладыша, заливаемого баббиттом. 2. 2. Приводной механизм для перемещения двустворчатых ворот. Наибольшее распространение в качестве приводов двустворчатых во рот получили плоские шарнирные механизмы - кривошипно - шатунные, реечные, штанговые. наряду с этими механизмами применяются также канатные механизмы, которые установлены на отдельных шлюзах.
Кривошипно - шатунные механизмы (рисунок 17) применяются при ширине камеры шлюза, не превышающей 22м, для камер с шириной 18м они наиболее рациональны, так как имеют кривошипное колесо небольшого размера. Механизм имеет шарнирно прикрепленную к колесу тягу - шатун, соединенно шарнирно со створкой примерно на 1/3 ее длинны от оси вереяльного столба. Соединение шатуна - штанги с полотном и ведущим колесом выполняется эластичным при помощи упругого звена - пакета тарельчатых пружин, встроенных в звено. Диаметр большого колеса выбирается с таким расчетом, чтобы при перемещении створки из закрытого положения в открытое и обратно колесо поворачивалось на угол 180о - 200о. Пакет тарельчатых пружин позволяет осуществлять дожим створки за счет деформации пружин, а также уменьшает пиковые динамические нагрузки, появляющие в период пуска механизма и при его стопорении. Основное достоинство кривошипно - шатунного механизма (рисунок 18) - плавность изменения скорости ( от нуля в начале движения с возрастанием примерно по синусоидальному закону до среднего положения створки и уменьшения до нуля в конце движения по тому же закону ). Такой характер движения створок необходим для получения правильного и спокойного створения ворот. Кривошипно - шатунный механизм в силу указанных кинематических достоинств дают минимальное ускорения и силы инерции в период неустановившихся режимов.
Такие механизмы наиболее безопасны в действии, доступны для осмотра и ремонта и удобны в эксплуатации. Недостатком их является то обстоятельство, что тяговое усилие прикладывается к верхнему ригелю на растоянии 1/4 - 1/3 его длинны ( считая от оси вращения полотна ) в то время как равнодействующая сопротивлений движению полотна ворот находящихся в нижней его части. Момент, изгибающий полотно в направлении, перпендикулярном его плоскости, тем больше, чем выше отметка верхнего ригеля ворот над уровнем нижнего бъефа и чем больше высота ворот.
К числу недостатков этих механизмов следует отнести также появление значительных тяговых усилий в шатуне, большие размеры ведущего колеса ( диаметр колеса достигает 5 -7м ), что связано с увеличением площади устоев. 2. 3. Определение мощности и выбор электродвигателя для электро механического привода двустворчатых ворот судоходного шлюза. Электроприводы основных механизмов судоходных гидротехнических сооружений являются ответственными элементами электрооборудования шлюзов. Несоответствие выбранного привода технологическому режиму, неполный счет факторов, воздействующих на привод в процессе эксплуатации, может привести к сбоям в работе, перерывам в шлюзовании и даже к аварии на шлюзе. Учитывая, что выход из строя шлюза приводит к частичному или полному ( на одиночны шлюзах ) прекращения судапропуска, вопрос правильного выбора электропривода, и, в частности, электродвигателя - основного элемента привода - является весьма полным и актуальным.
Выбор электродвигателя для шлюзовых механизмов производится на основание предварительно построенного графика нагрузки. Затем выбранный электродвигатель подвергается проверкам. Если электродвигатель не удовлетворяет какой - либо проверки, то необходимо взять другой и вновь произвести все проверки.
2. 3. 1. Исходные данные. hк = 18 м; ширина камеры; Нм = 15 м; высота створки; h = 5 м; заглубление створки; Dhс = 0, 15 м; перепад на створку; iз = 2300; передаточное число редуктора и открытых зубчатых пере дач; h = 0, 74; КПД редуктора и открытых зубчатых передач; Fдоп = 55*104 Н; допустимое усилие в тяговом органе;
Dfз = 20 рад; приведенный к валу двигателя зазор в передачах; С = 18*106 Н/м; жесткость демпферных пружин; tс = 80 с; продолжительность закрытия ворот; 2. 3. 2. Определение статических моментов сопротивления.
Створки ворот, перемещаются в воде, испытывает знакопеременные нагрузки, вызванные влиянием внешних факторов.
Учитывая, что двигатель должен преодолеть эти нагрузки, момент его на валу будет также изменятся в довольно широких пределах. Поэтому, для правильного выбора двигателей необходимо знать область изменения статического момента сопротивления.
При движении в установившемся режиме на створку ворот действует нагрузка, в которую входят следующие составляющие; - момент от силы трения в пяте и гальсбанде ( Мтр ); - момент сил ветровой нагрузки ( Мв ); - момент сил, вызванных, гидростатическим давлением воды на створку ( Мh ); - момент сил вызванных воздействием масс воды при движении створки ( Мг), который включает: моменты сил, вызванных изменением инерции присоединенных к створке масс воды: Момент от сил трения определяется по выражению ( в Нм ): Мтр = 2/3*f1*Fn*rn+f2*Fг*rг; где f1 = 0, 25 - коэффициент трения пятового устройства; f2 = 0, 5 - коэффициент трения гальсбанда; rn = 0, 2 м - радиус пяты; rг = 0, 1 м - радиус гальсбанда; Fn = G+g*hm*l - реакция в пяте; ( Н ) G - вес створки; ( Н ) G = 500*(Hn*l)3/2
g = 4000 ( H/m2 ) - удельная нагрузка на створку, создаваемая механизмами и людьми, находящимися на мостике ворот; l = 0, 5*hк/cos202 - длинна створки; ( м ) hm = 1, 2 ( м ) - ширина мостика; Fг = Fn*l/(2*Hn) - усилие в галсбанде; ( Н ) l = 0, 5*h /cos20 = 0, 5*18/0, 44 = 9, 57 ( m ) G = 500*(Hn+l)3/2 = 500*(15*9, 57)3/2 = 859958, 2 ( H ) Fn = G+g*hm*l = 859958, 2+4000*1, 2*9, 57 = 905889, 2 ( H ) Fг = Fn*l/(2*Hn) = 905889, 2*9, 57/(2*15) = 288978, 6 ( H )
Mтр = 2/3*f1*Fn*rn+f2*Fг*rг = 2/3*0, 25*905889, 2*0, 2+0, 5* *288978, 6*0, 1 = 44645, 2 ( Н*м ) Момент сил ветровой нагрузки определяется по формуле; Мв = 0, 5*ко*gо*l2*(Hn-h)*sinQ; в ( Н*м ) где Ко = 1, 4 - коэффициент обтекания; gо = 150 ( Н*м2 ) - скоростной ветровой напор;
Q = угол поворота створки ( Q = 0о - при открытом положении ворот ); Значение НВ рекомендуется определять через каждые 10о угла поворота створки ( полный угол поворота створки составляет 70о ). Гидростатическое давление воды на створку создается из - за перепадов уровней воды, которые возникают в следствие инерционных колебаний воды в бъефе, вызванных наполнением апоражнением камеры шлюза, преждевременного начала открывания ворот до полного выравнивания уровней воды в камере и подходном канале из-за наличия погрешностей в водомерных приборах, а также вследствие разности отметок уровней в камере и бъефе при запоре и выпуске воды помимо подходных каналов. Следует иметь в виду, что перепады уровней воды возникают практически только в интервале угла поворота от 50о до 70о. Величина момента, вызванного перепадом, расчитывается по формуле в ( Н*м ); Mh = 0, 5*Dhc*l2*h*Yв, где. Yв = 9, 81*103 ( Н*м-3 ) - удельный вес воды Mh = 0, 5*0, 15*9, 522*5*9810 = 336918 ( Н*м ); при Q = 0о Мв = 0 ( Н*м )
при Q = 10о Мв = 0, 5*1, 4*150*9, 57*(15-5)*sin10о = 16698, 7 ( Н*м ) Данные расчеты ведутся через 10о. результаты расчета сводятся в таблицу; Q; град Мв; Н 0 0 10 16698, 7 20 32890 30 48082, 1 40 61813, 1 50 73666 60 83280, 6 70 30364, 7
Момент сил, вызванных воздействием масс воды движением створки ( Мг ), зависит от скорости движения створки, ее положения, заглубления и кинематической схемы. Точный расчет этого момента сложен. Однако с достаточной для инженерных расчетов точностью величину Мг можно принять постоянной во всем диапазоне угла Q, равной: Мг = 0, 2*336918 = 67383, 6 ( Н*м )
Определив все вышесказанные моменты, строится график зависимости статического момента сопротивления на оси створки от ее угла поворота. Очевидно, что в зависимости от направления ветра и перепада момента Мh и Мв могут как препятствовать, так и способствовать движению створки. В соответствии с этим график Мс(Q) = Мтр+Мг+Мh+Мв строится для двух случаев: - моменты Мh и Мв препятствуют движению; - моменты Мh и Мв способствуют движению;
График Мс(Q) строятся через 10о угла поворота створки: ( рисунок 19 ). Q; град Мс(Q); Н*м 1 режим Мс(Q); Н*м 2 режим 0 112028, 8 112028, 8 10 128727, 5 95330, 1 20 144918, 8 79138, 8 30 160110, 9 63946, 7 40 173841, 9 50015, 7 50 598612, 8 298555, 2 60 532227, 4 308169, 8 70 539311, 5 315253, 9 2. 3. 3. Предварительный выбор электродвигателя.
Необходимая мощность электродвигателя, намеченного к установке, определяется из выражения ( в кВт ): P' = Mс. max*wст. ср. /(1000*h),
где Mс. max - максимальный момент сопротивления, определяется по графику Мс(Q), Н*м; wст. ср. = Qст/tc - средняя угловая скорость створки, ( с-1 ); Qст = 1, 222 - полный угол поворота створки, ( рад ) wст. ср. = 1, 222/80 = 0, 015 ( с-1 ); P' = 539311, 5*0, 015/(1000*0, 74) = 11 ( кВт );
Частота вращения электродвигателя определяется в соответствии с wст. ср. по формуле ( в об. мин-1); n = kw*30*aт*iз/(p*tc), где.
aт- полный угол поворота выходного вала передачи ( колеса ) при перемещение створки от открытого до закрытого положения ( определяется по кинематической схеме механизма ), рад; kw = 1, 3 - коэффициент, учитывающий работу двигателя в переходных режимах и на пониженной частоте вращения при створении и при входе в шкафную часть. n = 1, 3*30*2, 6*2300/(3, 14*80) = 928 (об/мин).
По величине P' и n по каталогу предварительно выбираем двигатель кранового типа при ПВ = 95 % мощностью равной или ближайшей большей. Выбираем электродвигатель MTF 311-6 Рн = 13 ( кВт ) n = 135 (об/мин) J = 0, 3 (кг/м2)
2. 3. 4. Определение момента сопротивления приведенных к валу двигателя. Величины моментов сопротивления, приведенных к валу двигателя ( M'с), необходимо определить во всем диапазоне перемещения створки для обоих расчетных режимов.
Расчет M'с = f(Q) производим через 10o угла поворота створки. Для определения M'с = f(Q) необходимо определить полное переда точное число: i = f(Q); i = iз*iм, где iм = f(Q)
iм = ВО1/СО, где СО определяется из диаграммы перемещения. Приведения осуществляются по формулам: Мс' = Мс/(i*h) - двигательный режим; Мс' = Мс*h/i - тормозной режим; Результаты вычислений заносим в таблицу; Q; град 0 10 20 30 40 50 60 70 СО; м 0, 64 1, 5 1, 79 19, 5 1, 99 1, 88 1, 59 0, 75 iм; м 5, 23 2, 23 1, 87 1, 72 1, 68 1, 78 2, 11 4, 47 i; м 12029 5129 4301 3956 3864 4094 4853 10281 Мс'; Н*м двигат 12, 6 33, 9 45, 5 54, 7 60, 8 172, 5 148, 2 70, 9 Мс'; Н*м тормоз 6, 9 13, 8 13, 6 12 9, 6 -54 -47 -22, 7
По результатам в таблице, строим график зависимости Мс'= f(Q). ( рисунок 20 ). 2. 3. 5. Проверка предварительно выбранного двигателя. Предварительно выбранный двигатель в общем случае должен быть проверен на нагрев, динамическую и перегрузочную способность. Однако, в следствии того, что цикл шлюзования довольно значите
лен ( 30 минут и более ), а длительность работы привода ворот в цикле не выше ( порядка 3 - 4 минуты ), тепловой режим двигателя достаточно легкий. Поэтому проверку предварительно выбранного двигателя в этом случае можно на нагрев не производить, а ограничется проверками на динамическую и перегрузочную способности.
Вместе с тем электродвигатель двустворчатых ворот требует специфической проверки по аварийному режиму работы из условия "наезд на препятствие" ( внезапное столкновение ), выполнение которой целесообразно до основных проверок. а) Проверка по режиму внезапного стопорения
При внезапном стопорение створки кинематическая энергия, запасенная ротором двигателя и вращающимися элементами передач, переходит в энергию упругих колебаний и дополнительно нагружает механизм. Проверка по режиму внезапного стопорения позволяет уточнить частоту вращения электродвигателя, откоректировать передаточное число механизма и жесткость упругих элементов.
При расчете режима внезапного стопорения не учитываются демпфирующие способности двигателя и принимается, что продолжительность развития нагрузки больше полупериода колебаний.
В этом случае величина момента при внезапном стопорении, приведенная к валу двигателя, может быть определена из выражения: Мвн = 0, 7*Мmax+wд*? C'max*J1*sin(? (C'max/J1)*t)
где; 0, 7*Мmax- примерное среднее значение момента, развиваемого двигателем при "наезде на препятствие", ( Н*м );
Мmax - опрокидывающий ( максимальный ) момент предварительно выбранного двигателя; wд = wн = p*nн/30 - угловая частота вращения двигателя перед "наездом на препятствие" ( с-1): C'max- максимальная, приведенная к валу двигателя жесткость демпферных пружин; ( Н*м )
J1 = 1, 25*(Jр+Jм) - момент инерции вращающихся элементов привода; Jр, Jм - моменты инерции ротора двигателя и муфты; (кг*м2); 1, 25 - коэффициент учитывающий приведенный к валу двигателя мо мент инерции всех остальных вращающихся частей привода. C'max = C*(OA)2/iз2 =18*106*22/23002 = 13, 6 ( Н*м ) где, ОА - из кинематической схемы; J1 = 1, 25*(0, 3+0, 225) = 0, 66 (кг*м2) Максимальная нагрузка будет в момент времени t= p/2*? (J1/C'max); где Мн = 9556*Рн/nн = 9556*19/935 = 132, 9 (Н*м).
Условие, для проверки предварительно выбранного двигателя при внезапном стопорении; wн , M'доп-0, 7*Mmax/? (C'max*J1); где
M'доп - допустимая нагрузка на тяговый орган, приведенный к валу двигателя; M'доп = Fдоп*ОА/(iз*h) =55*104*2/(2300*0, 74) = 646, 3 ( Н*м ) 1, 4*M'доп-2, 2*Мном/? (C'max*J1) = = 1, 4*646, 3-2, 2*132, 9/? (13, 6*0, 66) = 165, 4 (рад/с) 97
Коэффициент 1, 4 в выражении учитывает податливость препятствия, на которое произведен "наезд" створки.
б) Проверка на динамическую и перегрузочную способности. Проверка предварительно выбранного двигателя на перегрузочную способность и динамическую способности производится исходя из следующих соображений. Поскольку электромеханические приводы двустворчатых ворот содержат упругое звено ( демпферные пружины ), то при разгоне динамический момент в нем ( М12 ) имеет затухающий колебательный характер, причем максимальная величина его должна ограничиваться коэффициентом динамичности, равным 1, 4. В общем случае, динамический момент в упругом звене определяется по выражению: М12 =Мс'+(Мнп-Мс')*J'2/(J1+J'2)*(1-coswt); где Мнп - начальный пусковой момент двигателя;
J'2 - приведенный к валу двигателя момент инерции створки и присоединенной массы воды; w - частота собственных колебаний системы
Максимальное значение динамического момента будет при coswt = -1; Учитывая, что этот максимальный момент не должен превышать больше чем на 40 %, момент сопротивления Мс', т. е. М12 =1, 4*Мс', величина начального пускового момента при пуске из любого положения определяется по формуле: Мнп(Q) = Мс'(Q)*(1+0, 2*J1+J'2(Q)/J'2); где
J'2(Q) = Jст+Jв(Q)/i2(Q) - приведенный к валу двигателя момент инерции створки и присоединенной массы воды. Jст = G*l2/38 - момент инерции створки; Jст = 2676137, 5 (кг*м2)
Jвт(Q) - момент инерции присоединенной массы воды при hкт = 18м и hк = 4м Пересчет для Jв(Q) производится по формуле: Jв(Q) = Jвт(Q)*h/hк*(hк/hкт)4 = 1, 25*Jвт(Q) Результат вычислений заносим в таблицу. Q; град 0 10 20 30 40 50 60 70 Jвт107 кг*м2 4, 2 2, 2 1, 85 1, 75 1, 8 2 2, 6 4, 2 Jв107 кг*м2 5, 25 2, 75 2, 3 2, 2 2, 25 2, 5 3, 25 5, 25 J'2 кг*м2 0, 38 1, 15 1, 39 1, 58 1, 69 1, 65 1, 49 0, 52 Мнп Н*м 19, 5 44, 6 58, 9 70, 2 77, 7 220, 8 191 130, 1
Вычисляем Мнп только для двигательного режима, т. к. соответствующая Мс' для тормозного режима меньше, чем для двигательного. По данным таблицы строим график Мнп= f(Q) ( рис. 21) из таблицы находим Мнп max = 220, 8 ( Н*м ). Выполняет проверку по условию: Мнп мах , 0, 8*Mmax, где
0, 8 - коэффициент, учитывающий допустимое снижение напряжения сети: 2, 5*132, 9 = 332, 25 . 220, 8 следовательно, Мнп max , 2, 5*Мном, условие выполнено. 2. 3. 6. Выбор электрических аппаратов для управления механическими тормозами. На всех механизмах шлюза для удержания его в застопаренном состоянии в период бездействия или для замедления движения механизма перед его остановкой используются механические тормоза. Они выполняются непосредственно с электроприводом. В качестве электроприводов (аппаратов) для управления механическими тормозами используются электрогидравлические толкатели и электромагниты переменного и постоянного тока. Выбор механического тормоза, а следовательно, и его электропривода производится по необходимому тормозному режиму: Мт = 2*М'max
Для нахождения М'max необходимо из графика M'с = f(Q) при перепаде и , сопутствующих движению выбрать наибольшее значение момента по абсолютной величине М'max = 172, 5 ( Н*м ) Мт = 2*172, 5 = 345 (Н*м)
Выбираем длинноходовой тормозной электромагнит переменного тока КМТЗА. Тяговое условие-350(Н).
Эти электромагниты применяются в беспружинных тормозах с высокой степенью надежности торможения, но для механизмов с небольшим числом включений в час. Длинноходовые электромагниты переменного тока имеют прямоходовую конструкцию с Ш-образным шлихтованным магнитопроводом на котором расположены три катушки, включенные в "звезду" или "треугольником".
Электромагниты этого типа выпускаются серии КМТ четырех типов размеров на напряжение 220\380В и 500В.
2. 3. 7. Расчет резисторов пускового реостата и выбор ящиков сопротивлений. Величины сопротивления, введенных в цепь ротора двигателя в определенном масштабе могут быть получены из пусковой диаграммы(рис. 22) Принято: Ip = 51(А) Iпер = 54(А) Iп = 102(А) Из диаграммы истекает: двигатель имеет 3 степени разгона. Активное сопротивление фазы ротора:
rp = Uн. р. *S/(? 3*Iр. н. ) = 172*0, 065/(? 3*51) = 0, 127 ( Ом )
где: Uн. р. = 172 (В), Iр. н. = 51 (А); S = no-n/no = 0, 065 Маштаб сопротивлений: m = rp/аб = 0, 127/7 = 0, 018 (Ом/мм) Сопротивления ступеней; R1 = m*де = 0, 018*46 = 0, 828 (Ом) R2 = m*д2 = 0, 018*25 = 0, 45 (Ом) R3 = m*2в = 0, 018*14 = 0, 252 (Ом) Rневыкл = m*вб = 0, 018*8 = 0, 144 (Ом) Наимено вание ступени Обозн ачение Расчетное сопротив ление ( Ом ) Технические данные Кол-во сопрот ивлений Факти ческое сопро тивле ние ( Ом ) сопроти вление эл-та ( Ом ) Длитель ный доп устимый ток (А) 1 R1 0, 828 0, 4 64 2 0, 8 2 R2 0, 45 0, 156 82 3 0, 468 3 R3 0, 252 0, 079 114 3 0, 237 не выключ Rневыкл 0, 144 0, 089 114 2 0, 158
Схема соединения резисторов для одной фазы ротора двигателя на ( рисунке 13 ) Пускорегулировачные резисторы серии НФ представляют собой ящики открытого исполнения. В этих элементах применяются сопротивления на фехралевой ленте, намотанной на ребро. Внешние зажимы ящиков сопротивления не маркированы. Расположение ящиков должно исключать возможность случайного прикосновения к ним и обеспечить защиту от атмосферных осадков. 3. ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Привод двустворчатых ворот. Наибольшее распространение на шлюзах нашей страны получили плоские, двустворчатые ворота. Основное технологическое требование здесь сводится к правильному и безударному створению полотнищ. Для привода двустворчатых ворот на правом и левом устоях камеры устанавливают по механизму, приводимому во вращение сворим электродвигателем. Привод с асинхронными двигателями без регулирования скорости движения. В нем могут быть использованы асинхронные двигатели ка с фазным, так и с короткозамкнутым ротором. Структурная схема такого привода дана на (рисунке 23), а. Система отличается простотой и высокой надежностью. Однако она обладает таким серьезным недостатком, как тяжелое протекание переходных процессов и невозможность управления частотой вращения двигателей при створении ворот и входе их полотнищ в ниши.
Привод с асинхронными фазными двигателями с регулированием скорости движения изменением сопротивления цепи ротора. Этот широко применяемый на шлюзах приводах двустворчатых ворот отличается от предыдущего возможностью регулирования частоты вращения двигателей при маневрировании воротами и управлением в процессе разгона при пуске двигателей в ход. Структурная схема системы привода показана на (рисунке 23). Такая система, используется в большинстве случаев в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом, имеет очень тяжелую динамику при пуске из промежуточных положений, необходимость которого нередко возникает, например, из-за недостаточной согласованности скоростей движения створок ворот, различия продолжительности разгона двигателей при реостатном пуске и т. п. В случае применения других типов тяговых органов ( например, тросовых ) положение усугубляется еще тем, что в конце операций получаются недопустимо большие скорости движения створок и для исключения ударов возникает потребность в искусственном снижении частоты вращения двигателей.
Электропривод с тормозными генераторами. Привод двустворчатых ворот, рассмотренный выше, в операции закрытия работает на смягченных характеристиках и в результате колебаний скорости движения не обеспечивает правильного створения ворот при различных изменениях нагрузки на левую и правую створки от ветра и волн. Кроме того, из-за сравнительно высокой скорости движения створок в конце операции закрытия при наложении тормозов раньше времени в воротах остается большая щель, а при наложении с опозданием получается удар створок. Устранение отмеченных недостатков возможно при работе привода в течении большей части операции на жестких механических характеристиках, обеспечивающих сохранение скорости движении створок при колебаниях нагрузки, и со значительным уменьшении скорости движения в конце операции перед наложением тормозов. Такие характеристики можно получить в системе с тормозным генераторами, включаемыми в конце операции для получении малой скорости движения . Тормозной генератор может быть отдельной электрической машиной постоянного или переменного тока, навешанной на вал приводного двигателя и являющейся для него дополнительной нагрузкой.
Механическая характеристика системы с включенным генератором представляет собой кривую, полученную при различных частотах вращения сложения моментов приводного двигателя и тормозного генератора. Структурная схема такого привода дана на . На схеме показаны приводные двигатели М1, М2, резисторы роторных цепей R1, R2 и тормозные генераторы ТГ1 и ТГ2. Изменением сопротивления цепи ротора асинхронного двигателя или тока возбуждения тормозного генератора получают различные по жесткости и по граничной частоте вращения характеристики системы. Электропривод двустворчатых ворот с тормозным генератором на шлюзах пока применяют ограниченно из-за большого числа машин, а значит, увеличенных габаритов и массы установки.
Электропривод с гидравлической передачей. Для привода двустворчатых ворот гидропередачи стали применять в последнее десятилетие. Электрогидроприводы располагают на устоях камеры шлюза. Они представляют собой два самостоятельных агрегата, связанных с помощью системы управления. Структурная схема электрогидропривода двустворчатых ворот приведена на рисунке 7, г. К основным его элементам относятся: насосы Н1 и Н2 с приводными двигателями М1 и М2, золотниковые блоки управления З1, З2 и силовые гидроцилиндры Ц1, Ц2, шторки которых соединены со створками ворот. Регулирование скорости движения здесь также гидростатическое, с перепуском части рабочей жидкости в сливной бак Б1 или Б2 минуя гидроцилиндры. Электрогидроприводы двустворчатых ворот зарекомендовали себя хорошо, однако необходимо решить еще целый ряд вопросов по улучшению регулирования скорости движения, динамики и защиты системы.
Электропривод с тиристорным управлением. Структурная схема такой системы приведена на рисунке 7, д. Она подобна рассмотренной выше схеме привода подъемно-опускных ворот.
Потенциальные возможности этой системы привода для двустворчатых ворот также еще предстоит раскрывать и доводить до совершенства высокими требованиями, предъявляемыми к электроприводам шлюзов. 3. 1. Привод с асинхронными двигателями без регулирования скорости движения. На (рисунке 23) показана принципиальная схема главного тока, а на (рисунке 24) - схема цепей управления двустворчатых ворот.
В данном примере для привода левой и правой створки ворот использованы асинхронные двигатели с фазным ротором М1 и М2, причем их пуск осуществляется в функции времени путем выведения резисторов из цепи ротора двигателя ( цепи катушек реле времени на схеме не изображены). Управление воротами производится как с центрального, так с местного пультов управления. Для упрощения схемы (смотрите рисунок 24) показаны по две общих кнопки открытия SO и закрытия SZ , хотя с местных пультов можно управлять каждой створкой в отдельности. При рассмотрении схеме следует иметь в виду, что SQ1 - контакт путевого выключателя, блокирующий цепь управления двустворчатых ворот с верхними воротами, и при закрытых верхних воротах он закрыт; SQ2 и SQ4 контакты предельных путевых выключателей открытия; SQ3 и SQ5 - контакты путевых выключателей закрытия; SQ6 - контакт путевого выключателя, ограничивающий закрытие ворот; SQ7 - SQ10, SQ15 - контакты путевого выключателя, управляющие порядком закрытия ворот; SQ11, SQ12 контакты путевого выключателя, осуществляющие блокирование с затворами галерей, закрытые при открытых затворах; SQ13 и SQ14 - то же, отключающие контакторы КО1 и КО2 при открытых воротах; SA1 - SA3 - контакты выключателей деблокировок. Подготовка схемы к работе. При наличии напряжения в соловой и вспомогательных цепях и закрытых контактах KV1, KV2 и KV3 получает питание катушка КМ. При срабатывании контактора КМ закрываются его замыкающие главные контакты в цепи статоров двигателей ( смотрите рисунок 23), а также замыкающий вспомогательный контакт КМ , который подает напряжение в цепь управления. Катушки реле времени КТ получают питание и размыкают свои контакты в цепях катушек контакторов К1, К2. Схема к работе подготовлена. Операция открытия ворот. Предположим, что управление происходит с центрального пульта ( замкнут контакт SA1 ) и ворота закрыты.
При нажатии кнопки SO, если контакты КУ закрыты, получает питание катушка оперативного контактора КО1. Последний срабатывает, закрывает свои главные контакты, включающие двигатель М1 в сторону открытия, а также замыкающий вспомогательный контакт КО1, который шунтирует кнопку SO. Одновременно закрывается контакт КО1 и получает питание катушка КО2. Контактор КО2 срабатывает, включает для открытия двигатель М2 правой створки и закрывает вспомогательный контакт КО2, также шунтирующий кнопку SO. Кроме того, при работе двигателей будут открыты размыкающие контакты КО1 и КО2 в цепях катушек KZ1 и KZ2. Одновременно открываются размыкающие контакты КО1 и КО2, прерывающие подачу питания на катушки реле времени КТ11 и КТ21. После заданной выдержки времени эти реле отпускают свои якоря и замыкают размыкающиеся контакты КТ11 и КТ12, в цепях катушек контакторов ускорения К11 и К12. Контакторы ускорения срабатывают, своими главными контактами выводят первые ступени резисторов в роторных цепях двигателей и размыкают свои размыкающие контакты в цепях катушек реле времени КТ21 и КТ22, которые с выдержкой времени закрывают одноименные контакты в цепях катушек контакторов К21 и К22, и двигатели переходят на работу по естественным характеристикам. Когда створки выходят из соприкосновения, закрываются контакты SQ15, шунтирующие вспомогательный контакт КО1. Включение контактора КО2 с некоторым запозданием по сравнению с контактором КО1 необходимо потому, что левая створка захватывает правую и, следовательно, должна первой отойти при открытии. Когда ворота полностью откроются, размыкаются контакты путевых выключателей SQ13 и SQ14, которые лишают питания катушки КО1 и КО2. Двигатели отключаются. Если контакты КО1 и КО2 почему-либо не размыкаются, ворота поворачиваются на небольшой угол и открываются контакты предельных выключателей SQ2 и SQ4, отключающие линейный контактор КМ. В процессе открытия ворот контакторы путевых выключателей в цепи катушек закрытия ворот KZ1 и KZ2 приходят в исходное положение.
Операция открытия ворот. При закрытии ворот одновременно с нажатием кнопки SZ получают питание катушки оперативных контакторов KZ1 и KZ2. Двигатели М1 и М2 начинают вращаться, причем их пуск происходит также, как и при открытии. Створки приходят в движение в сторону закрытия. Когда между створными столбами ворот остается небольшое расстояние ( порядка 1, 5м ), открывается контакт SQ7, катушка контактора KZ1 теряет питание и двигатель левой створки останавливается. Правая створка продолжает движение до тех пор, пока не подойдет почти к положению створа. При этом открывается контакт SQ9, который отключает катушку KZ2. Двигатель правой створки останавливается. Одновременно с этим замыкается контакт SQ8, который вновь включает катушку контактора KZ1. Двигатель левой створки опять приходит во вращение. Когда левая створка коснется правой, закрываются контакты SQ10, вновь получает питание контактор KZ2, включает двигатель правой створки и оба двигателя доводят створки ворот до полного закрытия. При этом замыкается контакт SQ6, двигатели выключаются и механизмы створок тормозят. Рассматриваемое в настоящей и последующих схемах ступенчатое закрытие двустворчатых ворот применяется не везде. На ряде шлюзов осуществляется безостановочное движение ворот при их закрытии, что в известной степени делает работу механической части более надежной и упрощает электрическую схему. 3. 2. Привод с асинхронными фазными двигателями с регулированием скорости движения изменением сопротивления цепи ротора. (На рисунке
25) представлена схема силовой цепи, а на (рисунке 26) - схема цепей управления двустворчатыми воротами, предусматривающая изменение частоты вращения двигателей и скорости вращения ворот в конце операции закрытия ( при створении ворот ) и открытия ( при входе полотнищ ворот в ниши ). При рассмотрении работы схемы следует иметь в виду, что: SQ1 и SQ2 - контакты путевого выключателя, блокирующие цепь управления с ручным приводом створок, при работе ручного привода они открыты; SQ3 - SQ6 - контакты предельных открытия и закрытия створок; SQ7-SQ10 - контакты, управляющие последовательностью движения створок при закрытие ворот; SQ11 и SQ12 - контакты, блокирующие привод ворот в зависимости от состояния затворов водопроводных галерей, замкнутые при открытых затворах; SQ13 - SQ15 - контакты путевого выключателя, ограничивающие открытие створок; SQ16 и SQ17 - то же, отключающие реле КР после открытия ворот, вызванного обратным напором; SQ18 и SQ19 - контакты путевого выключателя, открывающиеся, когда усилия в штангах при закрытии ворот станут больше предельно допустимых; SQ20 и SQ21 - то же, закрытые при усилиях в штангах, меньших предельно допустимых при открытии ворот; SQ22 - контакт, размыкающий цепи катушек К1 и К2 для введения резисторов в цепи роторов двигателей М1 и М2 при схождении створок; SQ23 и SQ24 - контакты, замыкающиеся при обратном напоре.
Подготовка схемы к работе. При подаче напряжения к силовым цепям и к цепям управления и при нормальном состоянии блокировок реле напряжения силовой цепи KV, реле кнопок KSB и сельсинов KVB срабатывают и закрываю свои замыкающие контакты. Через замкнутые рубильники цепи управления S и указанные контакты реле тока попадает в катушку промежуточного реле KVA максимальной и нулевой защиты электропривода ворот. Оно срабатывает и замыкает свой контакт KVA в цепи катушки реле блокировки KV1. Это реле получит питание, если кратковременно замкнуть ключ восстановления SB. При срабатывании реле KV1 замыкающие контакты KV1 шунтируют контакт ключа восстановления SB; контакт KV1, замкнувшись, подготовляет цепь для индивидуального управления воротами при условии, что закрыты контакты КРУ и замыкающие контакты КВВ; закрывается контакт KV1, который замыкает цепь катушки KF ( реле защиты при повышенных усилиях в штангах ). Катушка этого реле получает питание через размыкающие контакты промежуточных реле KV3 и KV2. Реле KF срабатывает, закрывает собой контакт KF, шунтирующий размыкающие контакты KV3 и KV2, и контакт KF, подготовляющий цепь для питания катушек оперативных контактов открытия КО1 и КО2.
Операция открытия ворот. При замыкании контактов SP6 ключа раздельного управления получает питание катушка промежуточного реле KV3. Последние срабатывает, причем: размыкаются его замыкающие контакты KV3, которое ставят питание катушки KF в зависимость от усилий в штангах двустворчатых ворот при открытии; замыкаются замыкающие контакты KV3, в результате чего получают питание катушка оперативного контактора КО2, включающего двигатель М2 ведущей створки в направлении открытия.
Контактор КО2 срабатывает, в результате чего закрываются его замыкающие главные контакты КО2 силовой цепи и замыкающий вспомогательный контакт КО2, который подает питание на катушку линейного контактора КМ.
Последний срабатывает, и его главные контакты КМ включают обмотку статора двигателя М2 в сеть. Одновременно получает питание катушка контактора электромагнитного тормоза Y2 ведущей створки, и тормоз открывается. Ведущая створка начинает отходить от положения створа. Кроме того, закрывается замыкающий контакт КО2, который включает в сеть катушку оперативного контактора КО1 ведомой створки. Получив питание, контактор КО1 срабатывает. Одновременно с включением статор двигателя М1 получает питание катушка электромагнитного тормоза Y1, который срабатывает и открывает тормоз двигателя М1. Левая створка также начинает открываться. При подготовке цепи управления к работе через размыкающий вспо
могательный контакт КМ получает питание не показанная на схеме катушка электромагнитного реле времени КТ и ее размыкающий контакт КТ размыкается. Когда срабатывает линейный контактор,
катушка реле времени КТ теряет питание. После некоторой выдержки времени размыкающий контакт КТ закрывается и включает катушку К1 и К2. Контакторы К1 и К2 срабатывают и закрывают свои контакты, в результате чего резисторы выводятся из цепей ротора двигателей М1 и М2. Перед входом створок ворот ниши ( для уменьшения скорости их движения перед остановкой ) эти резисторы с помощью контакта SQ22 вновь вводятся в цепь роторов двигателей.
Когда створки полностью откроются, разомкнутся контакты SQ13 и SQ15 путевых выключателей и двигатели отключаются от сети. Одновременно потеряют питание катушки КМ, КО1 и КО2. В данной схеме предусмотрено возможность автоматического откры тия двустворчатых ворот в случаи обратного напора со стороны нижнего бьефа. При обратном напоре в результате сжатия пружин, находящихся в штангах, замыкаются контакты SQ23 и SQ24 путевых выключателей. Реле защиты КР при обратном напоре срабатывает, причем: открывается размыкающий контакт КР, разобщающий цепь управле ния катушкой КО2 И КО1 от цепи, замыкаемой ключом SP6;
закрывается замыкающий контакт КР, включающий катушку оперативных контактов КО1 и КО2. Последние срабатывают, и пуск двигателей М1 и М2 в сторону открытия происходит также, как описано выше. Поскольку катушка KV3 не получает питания, а контакт SQ22 путевого выключателя открыт, катушки контакторов К1 и К2 не включаются и работа происходит при введенных в цепи роторов резисторах;
закрывается замыкающий контакт КР, шунтирующий контакты SQ23 и SQ24 путевых выключателей.
Когда ворота открываются, размыкаются контакты путевых выключателей SQ16 и SQ17, катушка КР теряет питание и двигатели М1, М2 отключаются то сети.
При открытых воротах будут закрыты контакты путевых выключателей SQ1 - SQ6, SQ8, SQ10 и SQ22 и открыты контакты путевых выключателей SQ9, SQ16, SQ17. При этом обесточиваются оперативные контакторы наполнения КО1 и КО2, а также линейный контактор КМ и схема оказывается подготовленной к новому пуску. Операция закрытия ворот. При повороте ключа раздельного управления SP5 получает питание катушка промежуточного реле KV2, работающего при закрытии ворот. Последнее срабатывает и размыкает контакты KV2. В результате ток в цепи катушки реле KF появляется в зависимости от положения контактов SQ18 и SQ19 путевых выключателей. Если они закрыты, реле KF срабатывает и закрывает свои контакты.
При замыкании контактов KV2 получают питание катушки оперативных контактов KZ1 и KZ2, включающих двигатели левой и правой створок в сторону закрытия. Одновременно включается катушки электромагнитных тормозов Y1 и Y2 и двигатели растормаживаются. При этом включаются двигатели и створки начинают закрываться.
При срабатывании контактора КМ теряет питание катушка реле КТ и после выдержки времени, необходимой для разгона, замыкается контакт КТ, обеспечивающий питание катушек контакторов К1 и К2. Их контакты шунтируют резисторы в цепи роторов. Двигатели работают на естественных характеристиках когда ведущая правая створка дойдет до положения П1, откроется контакт путевого выключателя SQ8, который отключает катушку контактора KZ2, ведущая створка останавливается. ведомая створка продолжает движение до положения Л1. При этом срабатывает путевой выключатель SQ10, который отключает оперативный контактор KZ1, а таким образом и двигатель М1. Несколько ранее замыкается контакт путевого выключателя SQ9, подающие питание на оперативный контактор KZ2. Тогда вновь пускается в ход двигатель М2 ведущей створки. Однако при этом в цепи роторов двигателей оказываются введенными резисторы, так как размыкаются контакты путевого выключателя SQ22. Ведущая створка подходит к ведомой и доводит ее до положения полного створа, после чего двигатель М2 отключается путевым выключателем SQ7. Ведущая створка подходит к ведомой створки до полного створа левый двигатель должен быть расторможен, что обычно осуществляется отдельным контактором, управляющим электромагнитом тормоза этого двигателя. Двигатель М1 при этом для уменьшения нагрузки М2 также может включится в работу.
После отключения контактора KZ1 и KZ2 и постановки ключа SP5 в нулевое положение схема принимает исходное состояние.
Число путевых выключателей в приводе двустворчатых ворот значительно меньше числа контактов, упомянутых в описании схемы. Это объясняется тем, что некоторые из выключателей снабжены несколькими контактами, которые закрываются и открываются при повороте на определенный угол. 3. 3. Электрический привод с гидропередачей. На (рисунке 27) показана структурная схема электрогидропривода двустворчатых ворот. Гидропередача привода каждой створки, как и в приводе подъемно - опускных ворот, содержит: Силовой гидроцилиндр ГЦ, поворачивающийся в горизонтальной плоскости по мере перемещения поршня и штока; маслонасосную установку М-Н, подающую под давлением масло в гидроцилиндр; золотники управления ЗУ блоком золотников;
блок главных золотников БЗ, управляющий подачей масла в подпоршневую ( для открытия ворот ) или в надпоршневую ( для закрытия ворот ) полости гидроцилиндра; бак Б для масла и маслопроводы.
Принципиальная схема силовой части электрогидропривода двустворчатых ворот представлено на (рисунке 28), а схема цепей управления на (рисунке 29). При рассмотрении работы схемы следует иметь в виду, что:
SQ1 - контакт путевого выключателя блокировки с воротами смежной головы, замкнутой при закрытых смежных воротах; SQ2, SQ4 - контакты путевых выключателей открытия; SQ3, SQ5 - контакты путевых выключателей закрытия;
SQ6 - контакт путевого выключателя предельного положения закрытия ворот ; SQ7 - SQ10 - контакты путевого выключателя, управляющие последовательностью закрытия створок; SQ11, SQ12 - контакты путевого выключателя блокировки с затворами галерей, закрытые при открытых затворах; SQ13, SQ14 - контакты путевого выключателя предельного положения открытия ворот; КМ1, КМ2 - оперативные контакты двигателей насосов;
KYZ1, KYZ2 - контакторы электромагнитов золотников управления закрытием ворот; KYO1, KYO2 - контакторы электромагнитов золотников управления открытием ворот; YH, YZ, YO - электромагниты управления насосами и золотниками управления открытием и закрытием ворот. Как видно из схем и состава оборудования, работа данного привода
аналогична работе привода двустворчатых ворот с асинхронными двигателями. Работу гидропередачи при заданной последовательности операции легко проследить. Наличие в последней схеме ( смотри рисунок 14 ) электромагнитов управления подачи насосов YH1 и YH2 допускает при необходимости получение переменной подачи, а значит, и изменение скорости движения створок, например при створении ворот в операции закрытия и входе их в ниши в операции закрытия. Для этого в цепи YH1 и YH2 должны быть введены соответствующие командные устройства.
3. 4. Электропривод двустворчатых ворот с тормозным генератором. Рассмотренная схема двустворчатых ворот при их закрытии работает на смягченных характеристиках и в результате колебаний скорости не обеспечивает правильного створения ворот при различных изменения нагрузки на левую и правую створки из-за ветра и волновых явлении. Кроме того, вследствиесравнительно высокой скорости створок при срабатывании тормозов в конце операции раньше времени при закрытии ворот остается большая щель, а при срабатывании с опозданием имеет место удар створок.
Отмеченные недостатки, если большая часть операции будет происходить на жестких механических характеристиках работы электропривода, обеспечивающих сохранение скорости створок при колебаниях нагрузки, и значительным уменьшением ее в конце операции перед срабатыванием тормозов. Такие характеристики можно получить в системе с тормозным генератором, включаемый в конце операции для получения малой скорости привода. Тормозной генератор может быть отдельной электрической машиной постоянного или переменного тока, навешенной на вал приводного привода и являющийся для него дополнительной нагрузкой. Отечественной промышленностью выпускаются асинхронные двигатели с встроенными тормозными генераторами, т. е. выполненными в едином корпусе.
Механическая характеристика такого двигателя с включенным генератором представляет собой кривую, полученную при различных угловых скоростях. На (рисунке 30) приведены механические характеристики асинхронного двигателя ( кривая 1 ), тормозного генератора переменного тока ( кривая 2 ) и результирующая характеристика при включении обеих машин ( кривая 3 ). Изменения сопротивления цепи ротора асинхронного двигателя или ток возбуждения тормозного генератора, можно получить различные по жесткости и пограничной скорости результирующие характеристики.
Принципиальная схема привода с тормозным генератором отличается то рассмотренной в предыдущем параграфе только цепями управления и поэтому здесь не приводится.
3. 5. Электропривод с тиристорным управлением. Как отмечалось, в электроприводах гидротехнических сооружений стали находить применение полупроводниковые силовые и оперативные элементы и устройства. Так, например, для управления асинхронными двигателями и регулирования их частоты вращения в приводах опдъемно-опускных ворот ( затворов ) и двустворчатых ворот используются тиристерные преобразователи частоты ( ТПЧ ), тиристорные станции управления и регулирования ( ТСУР ) и пускорегулирующие безконтактные устройства ( ПРБУ ). Принципиальная схема силовой части электропривода с ПРБУ и векторная диаграмма э. д. с. работы системы приведены на (рисунке 31), а и б. Пускорегулирующее бесконтактное устройство состоит из ревесного бесконтактное устройство состоит из реверсного безконтактного коммутатора БК, блока динамического торможения БДТ, асинхронного вентельного каскада АВК, сглаживающих реакторов L и блоков управления и защиты ( последние на схеме не показаны ). Безконтактный коммутатор состоит из четырех силовых тиристорных блоков, в каждый из которых входят по два встречно-параллельно включенных тиристора. Два блока коммутатора служат для включения двигателя в прямом направлении вращения, а два других - в обратном. Третья фаза двигателя включенна в сеть напрямую ( не коммутируется ). Блок динамического торможения тиристорный работает совместно с одним плечем тиристорного блока коммутатора, которое обеспечивает однополупериодный выпрямленный ток для динамического торможения. Блок динамического торможения состоит из симметричного тиристора V1, шунтирующего неработающую фазу двигателя, и рабочего тиристора V2, шунтирующего две другие фазы при непроводящем полупериоде работы коммутатора в режиме торможения. Асинхронно-вентильный каскадвключает асинхронный двигатель с фазным ротором М, выпрямитель U, инвертор И, ведомый сетью, и сглаживающий дроссель L. Выпрямитель собран из силовых неуправляемых вентильных блоков по мостовой схеме, но из силовых управляемых ( тиристорных ) блоков. Принцип действия ПРБУ основан на работе асинхронного вентильного каскада со звеном постоянного тока. Регулирование частоты вращения привода здесь обеспечивается введением добавочного э. д. с. в цепь ротора. Как видно из векторной диаграммы, при работе вентильного каскада введение в цепь выпрямленного тока ротора Ip внешней электродвижущей силы Еи, направленной навстречу току, меняет значение результирующей э. д. с. ротора Ер, а следовательно, тока и угла сдвига между током и э. д. с. Внешняя электродвижущая сила, создаваемая инвертором, направленная навстречу току, и, следовательно, ее вектор сдвинут относительно основной э. д. с. ротора на угол ( 180 - f ). Внешнюю э. д. с. возможно изменить выбором угла опережения открывания тиристоров инвертора, обеспечивая изменение результирующей э. д. с. тока ротора и угла сдвига между ними. Изменение тока ротора вызовет изменение вращающего момента электродвигателя, а при постоянном моменте сопротивления и изменение частоты вращения двигателя. При замкнутой системе регулирования в случае отрицательной обратной связи по частоте вращения, управляя углом опережения открывания тиристоров, в такой схеме обеспечивается поддержанием постоянной частоты вращения при изменении момента сопротивления на валу. Механические характеристики в рабочем диапазоне нагрузки при этом оказываются такими же, как и в системе Г-Д. Диапазон регулирования достигает 20: 1 и выше. Первый опыт применения ПРБУ в приводах подъемно-опускных ворот ( затворов ) и двустворчатых ворот показал, что такие системы обладают хорошей регулирующей способностью и высокой надежностью и экономичностью, однако имеют сложную систему управления. 4. БЕСКОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ И СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ.
Коммутационные контактные аппараты имеют низкую надежность и сдерживают дальнейшее развитие автоматизированных электроприводов. В современных системах широко применяются бесконтактные силовые и оперативные устройства, не разрывающие электрических цепей, а запирающие и отпирающие их. В качестве элементной базы таких устройств используют управляемые вентили ( триоды и тиристоры ), магнитные усилители, бесконтактные сельсины, бесконтактные емкостные и индуктивные датчики.
Принцип действия большинства из них основан на изменение включаемого в цепь электрического тока сопротивления, значение которого при опредиленных условиях может изменяться практически от нуля ( открытое состояние ) до бесконечности ( закрытое состояние ).
Механизм работы управляемого вентеля в п. 14 на примере тиристора с выходным параметром в виде изменяющегося напряжения, подводимого к двигателю и имеющегося в крайних условиях открытое и закрытое состояние. Бесконтактные аппараты управления долговечны из - за отсутствия механических контактов, обладают высоким быстродействием, нечуствительны к изменениям характеристик окружающей среды, имеют низки массогабаритные показатели и эксплутационные затраты.
Бесконтактные устройства являются наиболее совершенными аппаратами для построения функциональной части схем автоматического управления электроприводами. При разработке создании сложных схем управления электроприводов, таких как приводы основных механизмов шлюзов и судов технического флота, бесконтактные устройства предусматривают в качестве контактных коммутационных аппаратов, способных выполнять отдельные операции в определенной ( логической ) последовательности. Поэтому их называют логическими элементами. Бесконтактные логические элементы, как правило, строятся на транзисторных, диодных и магнитных элементах в виде прямоугольных таблеток с несколькими входами и выходами и схемами, позволяющими реализовать отдельные логические функции.
Выходные сигналы на логические элементы могут подаваться от бесконтактных и контактных датчиков и командоаппаратов. Схемы на бесконтактных логических элементах могут осуществлять все электрические блокировки и защиты.
Однако следует учитывать, что схемы на бесконтактных логических элементах, имея высокую стоимость, обеспечивают только один заранее заданный алгоритм управления и их невозможно просто переналадить на други алгоритмы. Поэтому наряду со схемами, выполненными на отдельных логических элементах в автоматизированных электроприводах, начинают находить применение унифицированные логические системы управления. Примерами таких систем являются унифицированная система управления промышленными механизмами ( УМП - 2 ) и унифицированная бесконтактная логическая система управления механизмами шлюзов ( УБЛСУ ). Эти системы представляют собой универсальные устройства, предназначенные для решения логических задач при автоматизации
электроприводов. Они выполняют логические операции по заданному алгоритму и позволяют сравнительно простыми средствами менять программы управления. Для унификации устройств управления двигателями постоянного и переменного тока электромеханической промышленностью разработаны и выпускаются станции управления. Они представляют собой объединенные общей конструкцией комплексные устройства, содержание электрические коммутационные и защитные аппараты, соединенные по требуемой электрической схеме и предназначенные для дистанционного автоматического управления электроприводами. Станции управления выполняют в виде блоков и панелей управления.
В блоках аппараты монтируются на раме реечной конструкции или на одной изоляционной плите. Панель управления составляется на общей раме из нескольких блоков.
В станциях по возможности предусматриваются запасные, не неиспользованные в схеме вспомогательные контакты аппаратов, а иногда и целые аппараты для развития схем, блокировок и сигнализации.
Станция управления для сложных систем электроприводов объединяют в щиты открытого типа в виде панелей или закрытого типа в виде шкафов. Открытые щиты устанавливают в машинных отделениях или помещениях управления, а шкафы - около производственных механизмов. Различают станции общепромышленного типа и специализированные. К общепромышленным относят станции, имеющие стандартные схемы управления двигателями постоянного тока, осуществляющие их пуск, реверсирование и торможение. Специализированные представляют собой станции управления электроприводами конкретных механизмов различных отрослей промышленности ( металургической, химической, текстильной и др. ). 5. СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКОГО АВТОМАТА Операция закрытия ворот
После поступления сигнала с пульта управления включается двигатель 1 ведущей створки, следом включается двигатель 2 ведомой створки. Когда ведущая створка дойдет до угла 50о путевой выключатель отключит двигатель, ведомая створка продолжает движение, пока не дойдет до угла 65о, затем срабатывает путевой выключатель и двигатель откючается. Одновременно с этим включается двигатель ведущей створки и она начинает движение до тех пор пока не поступит сигнал с датчика касания, о том, что ведущая створка коснулась ведомой. Двигатель ведомой створки приходит в движение и оба двигателя доводят створки до полного закрытия, пока не поступит сигнал с датчика створения. Тогда двигатели отключаются и механизм створок затормаживается. Операция открытия ворот
После поступления сигнала с пульта управления включается двигатель 1 ведущей створки и она начинает свое движение. Отойдя на 5о поступает сигнал на включение ведомой створки. Дойдя до конечных положений оба двигателя отключаются конечными выключателями. Механизмы тормозятся. 6. ОХРАНА ТРУДА
Электробезопасность при эксплуатации гидротехнических сооружений. Помещения на гидротехнических сооружениях по опасности поражения делятся на помещения с повышенной опасностью, где относительная влажность достигает 75%. к ним относятся помещения контакторных панелей, панели автоматики, центрального пульта управления, распределительных устройств, трансформаторных подстанций, механизмов ворот и затворов; - помещения особо опасные, где относительная влажность близка к 100%. Это кабельные тонели, шахты; - помещения без повышенной опасности
К ним относятся служебные помещения ( комнаты ИТР, охраны ). Электрооборудование гидротехнических сооружений выбирают водозащищенного или герметичного исполнения. Корпуса электродвигателей, трансформаторов, пусковых аппаратов, кожухов рубильников заземляются, а неизолированные токоведущие части ограждаются. Организационные мероприятия, обеспечивающие безопасность при работе в электроустановках, заключаются в оформлении наряда, выдаче допуска к работе, надзоре во время работы и оформлении перерывов в работе. Работы в электроустановках гидросооружений на токоведущих частях без снятия напряжения допускается производить в аварийных случаях. В остальных случаях работы должны выполняться при полном или частичном снятии напряжения. Технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ с частичным или полным снятием напряжении выполняется в строго оговоренной последовательности. Выполняют необходимые отключения и вывешивают запрещающие плакаты, а если это необходимо, то устанавливают ограждения. Затем накладывают переносные заземления - закоротки. Переносные заземления вначале присоединяют к земле , проверяют отсутствие напряжения, а затем накладывают на электроустановку. Наличие напряжения в электроустановках определяется переносными приборами, указателями напряжения и токоизмерительными клещами.
Большинство работ по обслуживанию и ремонту электроустановок гидросооружений выполняется лицами, имеющими квалификационную группу не ниже 4. 6. 1. Правила технической эксплуатации электродвигателей.
На электродвигатели и приводимые ими в движение механизмы должны быть нанесены стрелки, указывающие направление вращения механизма и двигателя. На коммутационных аппаратах ( выключателях, контакторах, магнитных пускателях и т. п. ), пускорегулирующих устройствах, предохранителях и т. п. должны быть надписи, указывающие, к какому электродвигателю они относятся. Плавкие вставки предохранителей должны быть калиброванны с указанием на клейме номинального тока вставки. Клеймо ставится заводом - изготовителем или электротехнической лабораторией. Применять некалиброванные вставки запрещается. Защита всех элементов сети потребителей, а также технологическая блокировка узлов выполняются таким образом, чтобы исключался самозапуск электродвигателей ответственных механизмов. Коммутационные аппараты следует распологать возможно ближе к электродвигателю в местах, удобных для обслуживания, если по условиям экономичности и расхода кабеля не требуется иное расположение. Для контроля наличия напряжения на групповых щитках и сборках электродвигателей размещаются вольтметры или сигнальные лампы.
Для обеспечения нормальной работы электродвигателей напряжение на шинах поддерживается в пределах 100 - 105% номинального. При необходимости допускается работа электродвигателя при отклонении напряжения от -5 до +10% номинального. Электродвигатель немедленно ( аварийно ) отключается от сети в случаях: а) несчастный случай ( или угроза его ) с человеком;
б) появление дыма или огня из электродвигателя или его пускорегулирующей аппаратуры; в) вибрация сверх допустимых норм, угрожающая целостности электродвигателя; г) поломка приводного механизма;
д) нагрев подшипника сверх допустимой нормы, указанной в инструкции завода - изготовителя; е) снижение частоты вращения, сопровождающееся быстрым нагревом электродвигателя.
Профилактические испытания и измерения на электродвигателях должны проводится в соответствии с нормами.
6. 2. Анализ вредных и опасных факторов на гидротехнических сооружениях. Нормы, мероприятия по поддержанию норм, меры безопасности. Загрязнение воздуха.
Все служебные и бытовые помещения обеспечены системой естественной и принудительной вентиляции. Места затора воздуха располагаются в зоне наименьшего загрязнения. Уровень шума
Для работы на гидросооружениях уровни шума регламентиуются "Гигиеническими нормами допустимых уровней звукового давления на рабочих местах". Наименование Среднегеометрические частоты октавных полос *10 Гц Уровни звука в дБл Уровни звукового давления 6, 3 12, 5 25 50 100 200 400 800
При шуме, проникающем извне помещений, находящихся на теретории прдприятия. Для кабины наблюдений и дистанционного управления. 94 87 82 78 75 73 71 70 80 Освещение
Для открытых територий портов, територии и камер шлюзов транспортных гидросооружений могут быть приняты, в соответствии со СНиП: Наименование освещенного объекта Разряд по СНиП Характеристика работы по СНиП Наименьшая освещенность в Лк Судоходные шлюзы Грубые работы, требующие различия объектов при отношении а) територия XVII Наименьшего размера к расстоянию до шлюза 0, 05 и более. 5 б) акватория XVI Работы малой точности, требующие общего наблюдения. 10
Для производственных, общественных, служебных помещений береговых предприятий речного транспорта в соответствии со СНиП, нормы освещенности могут быть приняты: Наименование помещения Разряд по СНиП Наименьшая освещенность, Лк Уровень рабочей поверхности Люминисцентные лампы Лампы накаливания Помещение пульта управления шлюзом. - в помещении Vб 150 100 на полу - на пульте управления IVа 300 200 на пульте 6. 3. Электробезопасность.
Для безопасного обслуживания шлюза предусмотренно выполнение мероприятий общего характера: ограждение движущихся частей, средства автоматической остановки и отключение оборудования от источников энергии при опасных неисправностях, авариях; блокировочные устройства. Пульт управления снабжен сигнальными световыми устройствами. Организована периодическая проверка знаний персонала и его обучение.
6. 4. Расчет защитного заземления трансформаторной подстанции. Защитное заземление трансформаторной подстанции осуществляется с помощью искуственных заземлителей. В качестве искуственных заземлителей обычно применяют стальные трубы. Их количество определяется расчетом. 1. Удельное сопротивление грунта r принимаем: r = 0, 4*104 Ом*см; грунт - глина. 2. Заземлитель выполняется из стальных труб Д = 20мм, l = 2м, соединенных стальными полосами 45*4мм. 3. Сопротивление растекания одиночной трубы: Rт. о. = 0, 366*r/l*(ln(2*l/d)+1/2*ln((4*h+l)/(4*h-l))) =
= 0, 366*0, 4*104/2*(ln(2*2/0, 02)+1/2*ln((4*0, 6+2)/(4*0, 6-2)) = = 34, 18 Ом, где h = 0, 6м - глубина погружения заземления.
4. Приблизительно определяем количество труб из условия Rз =40м. n = Rт. о. /(Rз*h) = 34, 18/(4*0, 6) = 24, 24;
где, Rз - требуемое сопротивление заземлительного устройства; h = 0, 6 - коэффициент, учитывающий взаимное экранирование труб. 5. Определяем сопротивление Rn. o. одиночной стальной полосы ( без учета экранирования трубами ). Rn. o. = 0, 366*r/l1*ln(2*l12/(b1*h1)); где l1 - длинна полосы, м; l1 = 4*14, 24 = 56, 96 м; b1 - 0, 045 м - ширина полосы, h1 = 0, 6 м - глубина погружения полосы.
Rn. o. = 0, 366*0, 4*102/56, 96*ln(2*56, 962/(0, 045*0, 6)) = 1, 33 Ом 6. Определяем необходимое сопротивление труб, обеспечивающее сопротивление контура не более заданной величины.
Rт = Rn*Rз/(Rn+Rз); где Rn = Rn. o. /hп = 1, 33/0, 32 = 4, 16 Ом Rn - сопротивление полосы с учетом экранирования трубами, hп = 0, 32 - коэффициент, зависящий от отношения расстояния между трубами к длине трубы. Rт = 4, 16*4/(4, 16+4) = 2, 04 Ом Уточняем количество труб. n = Rт. о. /h*Rт = 34, 18/(0, 61*2, 04) = 27, 47 Принимаем n = 28 труб. 7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ.
Расчет годового экономического эффекта от внедрения автоматизированной системы управления технологическим процессом проводки судов через шлюзованный канал ( АСУТП "Канал" ). Данная модернизация входит в АСУТП "Канал". В плане работ по совершенствованию технологического процесса проводки флота по каналу установлена возможность снижения времени нахождения судов в водах канала с одновременным увеличение его пропускной способности. Для практической реализации такой возможности создается автоматизированная система управления технологическим процессом. На научно - исследовательские работы было затрачено 2 года. Проектирование намечено проводить 3 года. На внедрение и освоение системы отводится 1 год. В качестве расчетного принимается год внедрения и освоения системы. Распределение капитальных вложений по годам: Kt1 = 2 млн. руб. Kt2 = 2, 4 млн. руб. Kt3 = 3, 2 млн. руб. Kt4 = 4 млн. руб. Kt5 = 24 млн. руб Kt6= 44 млн. руб. Капитальные вложения, приведенные к расчетному году, будет составлять.
K2 = S Kti*(1-e)6-i = 2*442+2, 4*444+3, 2*443+4*442+24*441+44*440= = 320 млн. руб. Грузооборот по каналу за навигацию ( А1; А2 ), млн. тон: базового 13; проекторуемого 21. Годовые эксплуатационные затраты по каналу и флоту за время нахождения его в водах канала ( S1; S2 ) млн. руб: базового 348 мил. руб, проектируемого 369, 6 мил. руб. Средний пробег с грузом за один оборот судна ( l ) км; проектируемого 500. Средняя доходная ставка по перевозкам ( d ), руб/10 т*км. 1380 руб. Средняя себестоемость перевозок ( S ), руб/10 т*км. 844 руб. Расчет экономического эффекта: Эф = S1(A1)- S2(A2)- Eн*К2+DП Дополнительная прибыль DП рассчитывается:
DП = (A2-A1)*l/2*(d-S) = (21-13)*500/2*(1380-844)*0, 001 = 105 млн. руб. Эф = 348-369, 6-0, 3*320+105 = 404 млн. руб. 8. ЛИТЕРАТУРА
1. В. П. Шорин "Электрооборудование водных путей и технического флота". М; Транспорт 1990 г.
2. П. П. Онохов "Механическое оборудование шлюзов и судоподьемников". М; Транспорт 1973 г. 3. А. В. Михайлов "Судоходные шлюзы". М; Транспорт 1966 г.
4. С. А. Попов "Автоматизация производственных процессов на водном транспорте". М; Транспорт 1983 г. 5. "Теория электрического привода" ЛИВТ 1979 г. Методическое указания.
6. В. П. Шорин; Е. И. ВАСИЛЬЕВ; А. А. Ишимикли; "Электрооборудование и автоматизация береговых установок ( гидротехнических ). ЛИВТ 1983 г. методоческие указания. 7. Ю. В. Аграновский; Ю. А. Бровцинов; А. А. Ишимикли. "Электрооборудование и автоматизация портовых перегрузочных машин". ЛИВТ 1981 г. Методические указания.
8. Э. А. Гомзиков "Электробезопасность на судах и предприятиях речного транспорта". ЛИВТ 1991 г. Методические указания. 9. "ПТБ и ПТЭ электроустановок". М; Энергоатомиздат 1989 г. 10. В. П. Андреев, Ю. А. Сабинин "Основы электропривода" М. -Л: Госэнергоиздат 1963 г. 11. К. Т. Витюк, Ю. А. Рейнцгольдт, В. П. Шорин.
"Электрооборудование и автоматизация береговых установок на речном транспорте". М; Транспорт 1979 г. 12. А. А. Ярустовский "Механическое оборудование шлюзов". М; Транспорт 1967 г.